(57)【要約】  試料中の物質を検出する装置は、少なくとも１つの光ビームを試料に通して指向させる発光ユニットを備える。複数のユニットが試料を通過した光ビームを受信し、受信した光ビームに基づく試料の分光分析を行う。複数のユニットの各々が、試料に関して異なるパラメータを分析し、分析に関して別個の出力信号を供給する。プロセッサが、供給された別個の出力信号の各々に関して物質を検出する。
2019510202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中の物質を検出する装置であって、
少なくとも１つの光ビームを前記試料に通して指向させる発光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信する複数の分光ユニットであって、前記複数の分光ユニットは、受信した前記光ビームに基づいて前記試料の分光分析を行い、前記複数の分光ユニットの各々が、前記試料に関して異なるパラメータを分析し、前記分析に関して別個の出力信号を供給する、複数の分光ユニットと、
供給された前記別個の出力信号の各々に関して前記物質を検出するプロセッサと、
を備える、装置。
【請求項２】
前記複数の分光ユニットが、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成する、第１の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に波長分析を行い、波長パラメータ出力信号を生成する、第２の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成する、第３の分光ユニットと、
を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の分光ユニットが、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共にラマン分光分析を行い、ラマンパラメータ出力信号を生成する、第１の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に赤外分光分析を行い、赤外パラメータ出力信号を生成する、第２の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成する、第３の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成する、第４の分光ユニットと、
を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記複数の分光ユニットの少なくとも１つが、デュアルコム分光法ユニットを備え、
前記デュアルコム分光法ユニットは、対を成すコヒーレント周波数コムを用いて、前記試料から前記光ビームを受信すると共にデュアルコム分光分析を行い、出力信号を生成する、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記複数の分光ユニットが、
前記光ビームを受信すると共にラマンサイドバンド分光分析を行い、第１の出力信号を生成する、第１の分光ユニットと、
前記光ビームを受信すると共に、ＯＡＭピンセットを用いたコロイド粒子操作を行う、第２の分光ユニットと、
を更に備え、前記光ビームは、ＯＡＭが与えられた光ビームを含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記複数の分光ユニットの少なくとも１つが、
前記光ビームを受信すると共に、ブロッホフレームワークの包絡波動関数に関連付けられた非局在化ＯＡＭを検出するＯＡＭ分光分析を行う、第１の分光ユニットと、
前記光ビームを受信すると共に、前記試料中の原子に関連付けられた局所ＯＡＭを検出するＯＡＭ分光分析を行う、第２の分光ユニットと、
を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記複数の分光ユニットが、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成する、第１の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成する、第２の分光ユニットと、
を備え、さらに、前記プロセッサが、前記偏光パラメータ出力信号及び前記ＯＡＭパラメータ出力信号によって示される前記試料中の前記物質についての固有シグネチャを検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記複数の分光ユニットが、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成する、第１の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に蛍光分光分析を行い、前記試料中の発光スペクトル及び励起スペクトルを検出し、蛍光パラメータ出力信号を生成する、第２の分光ユニットと、
を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記蛍光分光分析は、励起用放射を固定波長に保持し、放出蛍光強度を発光波長の関数として測定する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数の分光ユニットが、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成する、第１の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共にテラヘルツ（ＴＨｚ）分光分析を行い、蛍光パラメータ出力信号を生成する、第２の分光ユニットと、
を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＴＨｚ分光分析は、赤外分光法によって検出することができない弱い分子間振動モード及び弱い分子内振動モードの選択的検出をもたらす、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ＴＨｚ分光分析は二次元ＴＨｚ吸収特性を検出する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記ＴＨｚ分光分析は、前記試料を二次元で複数回走査し、各走査は試料サイズによりスケーリングされる、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記複数の分光ユニットが、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成する、第１の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共にラマン分光分析を行い、ラマンパラメータ出力信号を生成する、第２の分光ユニットと、
前記光ビームを受信し、偏光ラマン分光分析を行い、第３の出力信号を生成する、第３の分光ユニットと、
前記光ビームを受信し、非偏光ラマン分光分析を行い、第４の出力信号を生成する、第４の分光ユニットと、
を更に備え、
前記第２の分光ユニットのラマン分光分析は、受信した前記光ビーム中の光渦を更に検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
試料中の物質を検出する方法であって、
少なくとも１つの光ビームを前記試料に通して指向させることと、
前記試料を通過した前記光ビームを複数の分光ユニットで受信することと、
前記複数の分光ユニットの各々で受信した前記光ビームに基づいて、前記試料に関して異なるパラメータを分析することによって、前記試料の分光分析を行うことと、
前記複数の分光ユニットの各々で前記分析に関して別個の出力信号を供給することと、
前記試料中の前記物質を、供給された前記別個の出力信号の各々に関して検出することと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記分光分析を行う工程は、
偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成することと、
波長分析を行い、波長パラメータ出力信号を生成することと、
軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記分光分析を行う工程は、
ラマン分光分析を行い、ラマンパラメータ出力信号を生成することと、
赤外分光分析を行い、赤外パラメータ出力信号を生成することと、
軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成することと、
偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記分光分析を行う工程は、デュアルコム分光分析を行い、出力信号を生成することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記分光分析を行う工程は、
ラマンサイドバンド分光分析を行い、第１の出力信号を生成することと、
ＯＡＭピンセットを用いたコロイド粒子操作を行うことと、
を更に含み、前記光ビームは、ＯＡＭが与えられた光ビームを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記分光分析を行う工程は、
ブロッホフレームワークの包絡波動関数に関連付けられた非局在化ＯＡＭを検出するＯＡＭ分光分析を行うことと、
前記試料中の原子に関連付けられた局所ＯＡＭを検出するＯＡＭ分光分析を行うことと、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記分光分析を行う工程は、
偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成することと、
軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成することと、
を更に含み、
前記検出する工程は、前記偏光パラメータ出力信号及び前記ＯＡＭパラメータ出力信号によって示される前記試料中の前記物質についての固有シグネチャを検出することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記分光分析を行う工程は、
軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成することと、
蛍光分光分析を行い、前記試料中の発光スペクトル及び励起スペクトルを検出し、蛍光パラメータ出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記蛍光分光分析を行う工程が、
励起用放射を固定波長に保持することと、
放出蛍光強度を発光波長の関数として測定することと、
を更に含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記分光分析を行う工程は、
軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成することと、
テラヘルツ（ＴＨｚ）分光分析を行い、蛍光パラメータ出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記ＴＨｚ分光分析を行う工程が、赤外分光法によって検出することができない弱い分子間振動モード及び弱い分子内振動モードの選択的検出をもたらすことを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ＴＨｚ分光分析を行う工程が、二次元ＴＨｚ吸収特性を検出することを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ＴＨｚ分光分析を行う工程は、前記試料を二次元で複数回走査することを更に含み、各走査は試料サイズによりスケーリングされる、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記分光分析を行う工程は、
軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成することと、
ラマン分光分析を行い、ラマンパラメータ出力信号を生成し、受信した前記光ビーム中の光渦を検出することと、
偏光ラマン分光分析を行うと共に、第３の出力信号を生成することと、
非偏光ラマン分光分析を行うと共に、第４の出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２９】
試料中の物質を検出する装置であって、
少なくとも１つの光ビームを前記試料に通して指向させる発光ユニットと、
前記試料を通過した前記少なくとも１つの光ビームを受信すると共に、軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行い、ＯＡＭパラメータ出力信号を生成する、第１の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記少なくとも１つの光ビームを受信すると共に、受信した前記少なくとも１つの光ビームに基づく前記試料の分光分析を行う、少なくとも１つの第２の分光ユニットであって、前記少なくとも１つの分光ユニットの各々は、軌道角運動量以外のパラメータを分析し、前記分析に関して別個の出力信号を供給する、第２の分光ユニットと、
前記ＯＡＭパラメータ出力信号と、供給された前記別個の出力信号の各々とに関して前記物質を検出する、プロセッサと、
を備える、装置。
【請求項３０】
試料中の物質を検出する方法であって、
少なくとも１つの光ビームを前記試料に通して指向させることと、
前記試料を通過した前記光ビームを複数の分光ユニットで受信することと、
軌道角運動量（ＯＡＭ）分光分析を行うことと、
前記ＯＡＭ分光分析に応答してＯＡＭパラメータ出力信号を生成することと、
受信した前記少なくとも１つの光ビームに基づいて前記試料の少なくとも１回の分光分析を行うことであって、前記少なくとも１回の分光分析の各々は、軌道角運動量以外のパラメータを分析する、分光分析を行うことと、
前記分光分析に関して前記複数の分光ユニットの各々で別個の出力信号を供給することと、
供給された前記別個の出力信号の各々に関して前記試料中の前記物質を検出することと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、「MULTI-PARAMETER SPECTROSCOPY」と題する２０１６年１月１３日付で出願された米国仮出願第６２／２７８，１８６号（代理人整理番号ＮＸＧＮ−３２９６８）、「RAMAN SPECTROSCOPY WITH ORBITAL ANGULAR MOMENTUM」と題する２０１６年４月１４日付で出願された米国仮出願第６２／３２２，５０７号（代理人整理番号ＮＸＧＮ−３３０９４）、「INCE-GAUSSIAN SPECTROSCOPY」と題する米国仮出願第６２／３６５，４８６号（代理人整理番号ＮＸＧＮ−３３２１７）、及び「DISTINCT SIGNATURES FOR CONCENTRATION MEASUREMENTS」と題する２０１４年１１月１９日付で出願された米国仮出願第６２／０８１，８４６号（代理人整理番号ＮＸＧＮ−３２４２４）の利益を主張し、これらの出願の全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
本願は、「SYSTEM AND METHOD FOR MAKING CONCENTRATION MEASUREMENTS WITHIN A SAMPLE MATERIAL USING ORBITAL ANGULAR MOMENTUM」と題する、２０１４年７月２４日付で出願された米国特許出願第１４／３３９，８３６号（米国特許出願公開第２０１５−０２６０６５０号として２０１５年９月１７日に公開。代理人整理番号ＮＸＧＮ−３２１９６）の一部継続出願でもある。本願は、「SYSTEM AND METHOD FOR EARLY DETECTION OF ALZHEIMERS BY DETECTING AMYLOID-BETA USING ORBITAL ANGULAR MOMENTUM」と題する、２０１５年１０月５日付で出願された米国特許出願第１４／８７５，５０７号（代理人整理番号ＮＸＧＮ−３２７７６）の一部継続出願でもある。米国特許出願第１４／３３９，８３６号及び同第１４／８７５，５０７号、並びに米国特許出願公開第２０１５−０２６０６５０号は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【０００３】
［技術分野］
本発明は、試料中の物質の検出、より具体的には多重パラメータ分光法に基づく試料中の物質の検出に関する。
【０００４】
［背景］
有機物質及び非有機物質の濃度測定及びその存在の検出が多数の用途で高い関心を集めている。一例では、ヒト組織内の物質の検出が個体の健康管理のますます重要な側面となりつつある。ヒト組織内の生物因子及び代謝因子をモニタリングする非侵襲的測定法の開発は、様々なヒト疾患の診断療法の重要な側面であり、適当な疾患管理において重要な役割を果たす可能性がある。ヒト組織内の生物因子及び代謝因子をモニタリングする非侵襲的測定法の開発は、様々なヒト疾患の診断療法の重要な側面であり、適当な疾患管理において重要な役割を果たす可能性がある。アルツハイマー病に関係がある、かかる物質の１つはアミロイド−βである。このため、アルツハイマー病の初期段階の検出をより良好に改善するために、改善されたアミロイド−β検出方式が必要とされる。
【０００５】
ヒト組織内でモニタリングされ得る生物因子の別の例は、グルコースである。グルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）は単糖であり、最も重要な炭水化物栄養源の１つである。グルコースは、ほぼ全ての生物学的過程に必須であり、ＡＴＰアデノシン三リン酸及び他の必須細胞成分の産生に必要とされる。ヒト血液中のグルコース濃度の正常範囲は、直前の食事の時間、身体的許容度及び他の要因に応じて７０ｍｇ／ｄｌ〜１６０ｍｇ／ｄｌである。自由循環グルコース分子は、膵臓からのインスリンの放出を刺激する。インスリンは、通常はグルコース非透過性の細胞膜内の２つの特異的受容体に結合することによって、グルコース分子が細胞壁を透過するのを助ける。
【０００６】
グルコース濃度に関する問題と関連する疾患の１つは糖尿病である。糖尿病は、インスリン産生の減少、又は、インスリンを利用し細胞膜を介してグルコースを輸送する能力の低下に起因する障害である。結果として、疾患時に潜在的に危険な高濃度のグルコースが血液中に蓄積する可能性がある（高血糖）。したがって、起こり得る重度の生理的合併症を防ぐには、血中グルコース濃度を正常範囲内に維持することが非常に重要である。
【０００７】
生理的グルコースモニタリングの重要な役割の１つは、真性糖尿病（又は単に糖尿病）等の幾つかの代謝性疾患の診断及び管理である。多数の侵襲的及び非侵襲的な技法がグルコースのモニタリングに現在用いられている。既存の非侵襲的グルコースモニタリング法に関する問題は、臨床的に許容可能なプロセスが未だ決定されていないことである。血液分析による標準技法は現在、個別の指穿刺及び指から採取した血液試料のその後の分析を含む。ここ数十年では、非侵襲的な血中グルコースのモニタリングが、医用生体工学領域での調査のますます重要な話題となっている。特に、光学的アプローチの導入がこの分野において幾らかの進歩をもたらした。光学における進歩により、光学的イメージング技術及び非侵襲的イメージングシステムの開発に関心が集中している。癌の診断法及び治療におけるモニタリングへの光学的方法の適用も、光学的検出法の簡便さ及び低いリスクのために成長分野である。医療分野に加えて、様々な他の環境における様々なタイプの物質の検出が容易に明らかとなり得る。
【０００８】
生体組織中の種々の組織代謝産物及びグルコースを検知する多くの光学的技法が、過去５０年にわたって開発されている。これらの方法は、蛍光分光法、近赤外分光法及び中赤外分光法、ラマン分光法、光音響法、光干渉断層撮影、並びに他の技法に基づくものであった。しかしながら、試行されたこれらの技法のいずれも、完全に十分であるとは証明されなかった。
【０００９】
光学的物質濃度検知に適した別の有機成分はヒト皮膚である。ヒト皮膚の防御機構はカロテノイド、ビタミン及び酵素等の抗酸化物質の作用に基づく。βカロテン及びリコピンは、人体のカロテノイドの７０％超を占める。βカロテン及びリコピンの局所又は全身適用は、人体の防御系を改善する一般戦略である。この治療の評価及び最適化には、ヒト組織（特に、環境に対する障壁であるヒト皮膚）におけるｂ−カロテン及びリコピンの濃度の測定が必要とされる。
【００１０】
このため、人体内又は他のタイプの試料における様々な物質の濃度及び存在の検出を可能にする改善された非侵襲的技法が、医療分野において多数の用途を有し得る。
【００１１】
［サマリー］
本発明は、本明細書に開示及び記載されるように、その一態様では、少なくとも１つの光ビームを試料に通して指向させる発光ユニットを備える、試料中の物質を検出する装置を含む。複数の分光ユニットが試料を通過した光ビームを受信すると共に、受信した光ビームに基づく試料の分光分析を行う。複数の分光ユニットの各々が試料に関して異なるパラメータを分析し、分析に関して別個の出力信号を供給する。プロセッサが、供給された別個の出力信号の各々に関して物質を検出する。
【００１２】
より完全な理解のために、ここで以下の説明を添付の図面と併せて参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】軌道角運動量シグネチャを用いて試料中の物質の存在を検出する態様を示す図である。
【図２】ＯＡＭジェネレータがＯＡＭねじれビームを生成する態様を示す図である。
【図３】軌道角運動量が付与された光ビームを示す図である。
【図４】一連の平行波面を示す図である。
【図５】波面の伝搬方向の周りをらせん状に回るポインティングベクトルを有する波面を示す図である。
【図６】平面波面を示す図である。
【図７】ヘリカル波面を示す図である。
【図８】スピンベクトルの変動のみを有する平面波を示す図である。
【図９】波への固有軌道角運動量の適用を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ｂおよび図１０Ｃとは異なる軌道角運動量が適用された信号を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａおよび図１０Ｃとは異なる軌道角運動量が適用された信号を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａおよび図１０Ｂとは異なる軌道角運動量が適用された信号を示す図である。
【図１１Ａ】様々な固有モードについてのポインティングベクトルの伝搬を示す図である。
【図１１Ｂ】らせん位相板を示す図である。
【図１２】軌道角運動量を用いた様々な物質の濃度測定及び存在検出をもたらす装置のブロック図である。
【図１３】図１１のシステムのエミッタを示す図である。
【図１４】図１１のシステムの固定軌道角運動量ジェネレータを示す図である。
【図１５Ａ】平面波信号への軌道角運動量の適用に使用される一ホログラムを示す図である。
【図１５Ｂ】平面波信号への軌道角運動量の適用に使用される一ホログラムを示す図である。
【図１５Ｃ】平面波信号への軌道角運動量の適用に使用される一ホログラムを示す図である。
【図１５Ｄ】平面波信号への軌道角運動量の適用に使用される一ホログラムを示す図である。
【図１６】エルミート−ガウスモードとラゲール−ガウスモードとの間の関係を示す図である。
【図１７】軌道角運動量を信号に適用するための、重ね合わされたホログラムを示す図である。
【図１８】図１１のシステムに使用される調整可能軌道角運動量ジェネレータを示す図である。
【図１９】複数のホログラム画像を含む調整可能軌道角運動量ジェネレータのブロック図である。
【図２０】異なる軌道角運動量を適用することによりＯＡＭジェネレータの出力を変動させることができる態様を示す図である。
【図２１】ＯＡＭジェネレータによりエルミート−ガウスビームをラゲール−ガウスビームへと変換することができる代替的態様を示す図である。
【図２２】ＯＡＭジェネレータ内のホログラムにより光ビームをねじることができる態様を示す図である。
【図２３】試料がＯＡＭねじれ波を受信し、特定のＯＡＭシグネチャを有する出力波を供給する態様を示す図である。
【図２４】軌道角運動量がそのビーム軸の周りの分子と相互作用する態様を示す図である。
【図２５】受信した軌道角運動量信号を増幅する整合回路構成のブロック図である。
【図２６】高次軌道角運動量光ビームを生成するために整合モジュールが非線形結晶を使用することができる態様を示す図である。
【図２７】軌道角運動量検出器及びユーザインタフェースのブロック図である。
【図２８】試料を通過する光ビームのスピン角偏光及び軌道角偏光に対する試料濃度の影響を示す図である。
【図２９】試料を通過する光ビームの軌道角運動量偏光を変化させるプロセスをより具体的に示す図である。
【図３０】図１２のシステムのユーザインタフェースのブロック図である。
【図３１】図１５に示されるようなデバイスにより収集されたデータを流通させるネットワーク構成を示す図である。
【図３２】軌道角運動量を用いてグルコースの濃度及び存在を測定する装置のより具体的な実施形態のブロック図である。
【図３３】試験対象の試料を通過する信号の固有ＯＡＭシグネチャを検出する光学系を示す図である。
【図３４】試料を通過した後にＯＡＭ強度図の楕円率が変化する態様を示す図である。
【図３５】試料を通過した後に強度図の重心がシフトする態様を示す図である。
【図３６】試料を通過した後に強度図の軸がシフトする態様を示す図である。
【図３７Ａ】水のみからなる試料のＯＡＭシグネチャを示す図である。
【図３７Ｂ】１５％グルコース水溶液の試料のＯＡＭシグネチャを示す図である。
【図３８Ａ】水のみからなる試料のインターフェログラムを示す図である。
【図３８Ｂ】１５％グルコース水溶液の試料のインターフェログラムを示す図である。
【図３９】ＯＡＭビームの振幅を示す図である。
【図４０】ＯＡＭビームの位相を示す図である。
【図４１】３つの異なるＯＡＭモードについてのキュベットの出力に対するビームの楕円率を示すグラフである。
【図４２Ａ】キュベットについての円環形のビームによる伝搬を示す図である。
【図４２Ｂ】水についての円環形のビームによる伝搬を示す図である。
【図４２Ｃ】グルコースについての円環形のビームによる伝搬を示す図である。
【図４３】様々な駆動電圧についての水を通したＯＡＭ伝搬を示す図である。
【図４４】ＯＡＭねじれビームを発生させるためにホログラムによって変化させた光ビームの例を示す図である。
【図４５】空間光変調器によって発生させた様々なＯＡＭモードを示す図である。
【図４６】楕円を示す図である。
【図４７】強度画像を分析するプロセスを示すフロー図である。
【図４８】楕円フィッティングアルゴリズムを示す図である。
【図４９】非整数直交状態の生成を示す図である。
【図５０】非整数ＯＡＭビームの生成のための空間光変調器の使用を示す図である。
【図５１】重ね合わされたラゲールガウスビームを用いて非整数ＯＡＭビームを生成する一態様を示す図である。
【図５２】整数ＯＡＭ状態への非整数ＯＡＭビームの分解を示す図である。
【図５３】空間光変調器により、非整数ＯＡＭビームを供給するホログラムを生成することができる態様を示す図である。
【図５４】非整数ＯＡＭビームを発生させるためのホログラムの生成を示す図である。
【図５５】非整数ＯＡＭビームを発生させるホログラムの生成を示すフロー図である。
【図５６】非整数ＯＡＭビームの強度プロファイル及び位相プロファイルを示す図である。
【図５７】ＯＡＭ分光分析のための非整数ＯＡＭビームを示すブロック図である。
【図５８】ＯＡＭ状態プロファイルの例を示す図である。
【図５９】複数の様々な分光技法を組み合わせて多重パラメータ分光分析を行う態様を示す図である。
【図６０】光学スペクトルの相対測定を行うためのスペックパラメータの概略図である。
【図６１】電磁スペクトルを示す図である。
【図６２】水蒸気の赤外スペクトルを示す図である。
【図６３】水の伸縮及び曲げ振動モードを示す図である。
【図６４】ＣＯ２の伸縮及び曲げ振動モードを示す図である。
【図６５】二酸化炭素の赤外スペクトルを示す図である。
【図６６】原子間距離の関数としての非調和振動子のエネルギーを示す図である。
【図６７】振動ばね及び量子化エネルギーレベルのエネルギー曲線を示す図である。
【図６８】ストークス共鳴及びアンチストークス共鳴によるレイリー散乱及びラマン散乱を示す図である。
【図６９】偏光ラマン法を行う回路を示す図である。
【図７０】偏光ラマン分光法と非偏光ラマン分光法とを組み合わせる回路構成を示す図である。
【図７１】偏光ラマン分光法及び非偏光ラマン分光法と光渦との組合せを示す図である。
【図７２】周波数及び波長に対する、大気の水による電磁波減衰を示す図である。
【図７３】蛍光分光法により関連付けられた吸収及び発光のシーケンスを示す図である。
【図７４Ａ】様々な物質の吸収スペクトルを示す図である。
【図７４Ｂ】様々な物質の蛍光スペクトルを示す図である。
【図７５】ポンプ−プローブ分光法セットアップを示す図である。
【図７６】増強ラマン信号を示す図である。
【図７７】ポンプ−プローブＯＡＭ分光法セットアップを示す図である。
【図７８】測定されたＯＡＭビームの離心率を示す図である。
【図７９】差分信号の生成のためのＯＡＭ分光法とラマン分光法との組合せを示す図である。
【図８０】アラインメント手順のフロー図である。
【図８１】対称検出スキームを示す図である。
【図８２】楕円座標系を示す図である。
【図８３】定数ξを用いた楕円のトレースを示す図である。
【図８４】定数ηを用いた双曲線のトレースを示す図である。
【図８５Ａ】偶数インス多項式を示す図である。
【図８５Ｂ】偶数インス多項式を示す図である。
【図８６】偶数インスモードのモード及び位相を示す図である。
【図８７Ａ】奇数インス多項式を示す図である。
【図８７Ｂ】奇数インス多項式を示す図である。
【図８８】奇数インスモードのモード及び位相を示す図である。
【図８９】デュアルコム分光法を示す図である。
【図９０】ウェアラブル多重パラメータ分光法デバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［詳細な説明］
ここで図面（同様の参照符号は、同様の要素を指定するために本明細書全体を通して使用される）を参照すると、軌道角運動量シグネチャを用いて物質を検出するシステム及び方法の様々な観点及び実施形態が説明及び記載され、他の考え得る実施形態が記載される。図は必ずしも正確な縮尺率で描かれている訳ではなく、説明のみを目的として図面が所々誇張及び／又は簡略化されている場合もある。以下の考え得る実施形態の例に基づく、多くの考え得る用途及び変形形態が当業者には理解される。
【００１５】
ここで図面（より具体的には図１）を参照すると、試料を通過する信号に付与された固有軌道角運動量シグネチャに基づいて試料中の特定の物質の存在を検出する態様が示される。一連の平面波を有する光信号１０２が、軌道角運動量（ＯＡＭ）信号を光信号１０２に適用するデバイス（例えば空間光変調器（ＳＬＭ）１０４）に適用される。本実施形態は光信号１０２の使用を想定しているが、軌道角運動量を有する他のタイプの信号又は他の直交信号を代替的実施形態において利用してもよい。ＳＬＭ１０４により、既知のＯＡＭねじれを適用した出力信号１０６が生成される。ＯＡＭねじれは、出力信号１０６を試料１０８に適用する前のベースラインとなる既知の特性を有する。試料１０８は、キュベット等の収容容器に入れられた物質を含んでいても、又は患者の眼若しくは身体等の自然状態、若しくは天然の自然発生位置にある物質であってもよい。試料１０８は、対象の特定の物質又は要素が記載のシステムによって検出されることを単に示すものである。試料１０８を通過する際に、出力信号１０６に固有ＯＡＭシグネチャが適用され、ＯＡＭ特徴的シグネチャ信号１１０として供給される。ＯＡＭビームは、キラル溶液と相互作用することで固有のトポロジー的展開（unique topological evolution）を示すことが観察された。ＯＡＭビームがキラル物質の試料を通過する際にキラル分子が固有ＯＡＭシグネチャを生じることが分かっているが、非キラル分子／材料を通過する信号からの固有ＯＡＭシグネチャの生成をもたらすこともできる。これらの固有のトポロジー的特徴を考えると、振幅測定及び位相測定の両方において特定のシグネチャを有する所与の溶液中の分子の存在を検出することができる。次いで、この特徴的シグネチャ信号１１０を、（例えばカメラ１１２を用いて）検査し、適用された固有信号特性を検出し、この固有シグネチャに基づいて試料中の物質を決定することができる。様々な分子の検出のための多重パラメータ分光法を、種々の産業（食品（食品腐敗の特定）、防衛及び国家安全保障のためのナノスケール材料の開発、化学産業、非侵襲的な解決策が不可欠な試験のための医薬品産業及び医療産業、感染、癌細胞、有機化合物及びその他多くの特定のための医療産業及び歯科産業を含むが、これらに限定されない）に適用することができる。固有シグネチャによって示される特定の物質は、一実施形態では、シグネチャと、特定の物質又は濃度に関連付けられた既知のシグネチャを含むシグネチャの固有データベースとの比較によって決定することができる。かかるデータベースを作成する態様は、当業者に既知であり得る。
【００１６】
ここで図２を参照すると、ＯＡＭジェネレータ２２０によりＯＡＭねじれビーム２２２を生成することができる態様が示される。ＯＡＭジェネレータ２１０には、ねじれビーム２２２を生成する、任意の数のデバイス（振幅マスクを有するホログラム、位相マスクを有するホログラム、空間光変調器（ＳＬＭ）又はデジタルライトプロセッサ（ＤＬＰ）を含む）を使用することができる。ＯＡＭジェネレータ２２０は、一連の平面波を含む光ビーム２２１を（例えばレーザから）受信する。ＯＡＭジェネレータ２２０は、軌道角運動量をビーム２２２に適用する。ビーム２２２は、強度図２２３に示されるような単一ＯＡＭモードを含む。ＯＡＭねじれビーム２２２は、検出される物質を含む試料２２４を通過する。前述のように、試料２２４は容器内にあっても、又はその自然発生位置にあってもよい。試料２２４中の物質の存在は、強度図２２５内に新たなＯＡＭモードレベルを生じる。ビーム２２２が試料２２４を通過すると、特定の濃度の特定の物質の検出に基づいて、出力ビーム２２６に３つの特徴的シグネチャが関連付けられる。これらのシグネチャには、強度パターンの離心率の変化２２８、強度パターンの重心におけるシフト又は平行移動２３０、及び楕円体強度パターン出力の３つの一般的方向（α、β、γ）での回転２３２が含まれる。これらの特徴的シグネチャ指標の各々が任意の構成で生じる可能性があり、各々の特徴的シグネチャが、特定の物質の存在及びこれらの検出物質の濃度の固有の指標をもたらす。これら３つの特徴的シグネチャは、測定対象の分子が検出された場合に現れ、これらのシグネチャが変化する態様が濃度レベルを表す。試料２２４を通過するビームからのヘリシティスペクトルの検出は、試料物質からのヘリカル波散乱（前方及び後方）を検出することを含む。
【００１７】
グルコース、アミロイドβ及び他のキラル物質の計測への光のＯＡＭの使用が上記の構成を用いて実証されている。ＯＡＭビームは、３ｃｍの光路リンク内でキラル溶液と相互作用することで固有のトポロジー的展開を示すことが観察される。固有のトポロジー的展開は、非キラル物質によってももたらされ得るということを理解されたい。キラル溶液（アミロイド−β、グルコース等）により、軌道角運動量（ＯＡＭ）ビームがそれと相互作用した場合に固有のトポロジー的展開を示すことが観察されている。ＯＡＭは通例、自然散乱光子には保有されない。これにより、ＯＡＭが検出時に環境光散乱（ノイズ）を有しないことから、キラル分子のヘリシティを特定する際のねじれビームの使用がより正確なものとなる。このため、物質により付与された固有ＯＡＭシグネチャは、自然散乱光子中のＯＡＭを搬送しない環境光散乱（ノイズ）によって干渉されず、検出がはるかに正確となる。これらの固有のトポロジー的特徴を考えると、所与の試料中のアミロイド−βの存在及び濃度を、振幅測定及び位相測定の両方において特定のシグネチャに基づいて検出することができる。分子キラリティは、空間反転における、又は反転と回転との組合せにおける、不一致と関連する構造的旋進性（structural handedness）を意味し、任意の適当な回転軸の欠如という通常の基準に相当する。或るものをその鏡映と同一にすることができない場合、そのものはキラルである。鏡像と重ね合わせることができないキラル分子は、鏡像異性体として知られる。従来、これは旋光の場合であっても円偏光に関係し、この現象の解釈には、平面偏光状態を、互いに逆の旋進性を有する円偏光の重ね合わせとして理解することが一般に必要とされる。円偏光については、左右の形状が固有のスピン角運動量の符号±ｈ、更には関連の電磁場ベクトルによって表される軌跡のヘリシティを示す。この理由から、物質とのその相互作用は鏡像異性的に特異的である。
【００１８】
分子の対称度又はキラリティを評価するために、連続対称性尺度（ＣＳＭ）が用いられる。この値は、０〜１００の範囲である。分子の対称性値が高いほど、分子の対称性の歪みが高くなり、分子がよりキラルとなる。測定は、キラル分子と最近接アキラル分子との最短距離に基づく。
【００１９】
連続対称性尺度は、以下の方程式に従って得ることができる：
【数１】
2019510202.tif 000003
Ｑｋ：元の構造
【数２】
2019510202.tif 000004
：対称操作した構造
Ｎ：頂点の数
ｄ：サイズ正規化係数
＊スケールは０〜１（０〜１００）である：
Ｓ（Ｇ）が大きいほど、Ｇ対称性からの偏差は高くなる
【００２０】
連続的なキラリティ尺度であるＳＧは、以下に従って決定することができる：
【数３】
2019510202.tif 000005
Ｇ：Ｓ（Ｇ）を最小にするアキラル対称点群
アキラル分子：Ｓ（Ｇ）＝０
【００２１】
アキラル分子はＳ（Ｇ）＝０の値を有する。分子がよりキラルであるほど、Ｓ（Ｇ）の値はより高くなる。
【００２２】
軌道角運動量への関心が、光渦を設計する可能性の実現により相当に高まっている。ここで、ヘリシティが電磁場の波面（wave-front surface）に存在し、関連付けられる角運動量を「軌道」と呼ぶ。放射自体は一般に「ねじれた」又は「ヘリカルな」ビームと称される。殆どの場合、光渦はアキラル物質とのそれらの相互作用についてのみ研究されてきた。唯一の明らかな例外は、液晶に関する最近の幾つかの研究である。光応答が鏡像異性的に特異的な分子に関連付けられた任意のシステムを調べるために、かかるビームが用いられる場合、どのような新たな特徴（もしあるとすれば）が期待され得るかを評定することがタイムリーであり、興味深い。
【００２３】
初めに、光学的相互作用におけるキラリティの発現についての基準は、一般化形式で構成される。簡単にするために、固有の鏡像異性的特異性を有する物質を仮定する。この物質は、キラリティ（固有であり、光応答に関与する全ての分子成分（又は発色基）に共通したもの）を示す。この種のシステムについての結果を単一分子研究にも適用する。より長距離の平行移動／回転秩序もキラリティを発生させ得るが（例えばねじれネマティック結晶におけるように）、かかるメゾスコピックキラリティは、鏡像異性的に特異的な相互作用を直接生じることはできない。唯一の例外は、光波が、２つ以上の分子又は発色基（電子的に区別可能であり、非対称的に配向され、本質的にアキラルなもの）をプローブする場合である。
【００２４】
キラル光学的（Chiroptical）相互作用は、その電磁的起源によって区別することができる。通常の一重項電子基底状態の分子系については、光学的放射の入力に対応する電場及び磁場の空間的変動を伴う。この空間的な変動は、二対称に（di-symmetrically）配置された隣接する発色基グループとのカップリング（適用が限られるカークウッドの二基モデル）か、又はより一般に、対応する電場及び磁場と個々のグループとのカップリングかのいずれかにより、キラリティに関係すると理解することができる。キラリティはパリティの局所的な破壊を意味するため、電気的及び磁気的相互作用の干渉が可能となる。２グループの場合であっても、系の対となる電気的相互作用は、２つのグループが含む単一体の電気的及び磁気的相互作用に相当する。このため、以下では、発色基又は分子のいずれかを表すために、便宜上、「キラル中心」という用語が使用される。
【００２５】
レーザの出現と共に、波動方程式のガウスビーム解が一般的な工学用語となり、その拡張である２つの高次レーザモードであるデカルト対称性についてのエルミートガウス、円筒対称性についてのラゲールガウス等が実験室での光学操作に加わった。高次ラゲールガウスビームモードは、らせん又はヘリカル位相面を示す。このため、ビームの伝搬ベクトル又はアイコナール（したがってビームの運動量）は、スピン角運動量に加え、軌道角運動量、すなわち海軸（sea axis）の周りの揺動を含む。この現象は、渦度と称されることが多い。ラゲールガウスビームの表現は、円筒座標で与えられる：
【数４】
2019510202.tif 000006
【００２６】
ここで、ｗ（ｘ）はビームスポットサイズであり、ｑ（ｃ）は球波面及びスポットサイズの展開を含む複素ビームパラメータである。整数ｐ及びｍは、それぞれ径方向モード及び方位角モードである。ｅｘｐ（ｉｍθ）項は、らせん位相面を表す。
【００２７】
ここで図３を更に参照すると、システムと共に使用されるビームの一実施形態が示される。光ビーム３００は、光ビーム３００内の光子３０２のストリームからなる。各光子は、エネルギー
【数５】
2019510202.tif 000007
と、波面に垂直な光ビーム軸３０４に沿って指向された線形運動量
【数６】
2019510202.tif 000008
とを有する。周波数とは独立して、光ビーム内の各光子３０２は、光ビーム伝搬の方向に平行又は逆平行に整列した
【数７】
2019510202.tif 000009
のスピン角運動量３０６を有する。光子３０２のスピンの全ての整列により円偏光ビームが生じる。円偏光に加えて、光ビームは、円偏光に依存せず、したがって光子スピンに依存しない軌道角運動量３０８を保有していてもよい。
【００２８】
光学的実験において、挙動の良好な、規定の周波数の光ビームの発生源として、レーザが広く使用されている。光ビーム３００を供給するためにレーザを使用することができる。任意の光ビーム３００におけるエネルギー束は、光ビーム内の電場及び磁場のベクトル積から計算することができるポインティングベクトルによって与えられる。真空又は任意の等方性物質中では、ポインティングベクトルは波数ベクトルに平行であり、光ビームの波面に垂直である。通常のレーザ光では、図４に示されるように波面４００は平行である。光子の波数ベクトル及び線形運動量は、ｚ方向４０２の軸に沿って指向される。かかる光ビームの電界分布は、マクスウェルの波動方程式の近軸解であり、これらの単純なビームが最も一般的であるが、他の可能性も存在する。
【００２９】
例えば、ｌ個の絡み合ったヘリカル面を有するビームも波動方程式の解である。これらの複雑なビームの構造は可視化することが困難であるが、それらの形状は、ｌ＝３のフジッリパスタからよく知られている。最も重要なことには、波面はポインティングベクトルと、図５の５０２に示されるように光ビーム軸伝搬方向の周りをらせん状に回る波数ベクトルとを有する。
【００３０】
ポインティングベクトルは、波面上に方位角成分を有し、ビーム断面にわたって積分した場合にゼロでない結果を有する。円偏光のスピン角運動量も同様に解釈することができる。円偏光した平面波面を有するビームは、軌道角運動量を有しないが、径方向強度勾配に比例するポインティングベクトルの方位角成分を有する。これを光ビームの断面にわたって積分すると有限値となる。ビームが直線偏光している場合、ポインティングベクトルに対する方位角成分、ひいてはスピン角運動量は存在しない。
【００３１】
このため、光ビーム３００内の各光子３０２の運動量は方位角成分を有する。運動量の詳細な計算には、光ビーム内の電場及び磁場の全て（特にビームの伝搬方向の電場及び磁場）が必要である。ビーム内の点については、運動量の方位角成分とｚ成分との比率は、ｌ／ｋｒであると見出されている（ここで、ｌ＝ヘリシティ又は軌道角運動量；ｋ＝波数２π／λ；ｒ＝動径ベクトル）。光ビーム３００内の各光子３０２の線形運動量は、
【数８】
2019510202.tif 000010
によって与えられるため、動径ベクトルｒ内の方位角成分のクロス積をとると、光子６０２についての軌道運動量
【数９】
2019510202.tif 000011
が得られる。波数ベクトルの方位角成分がｌ／ｒであり、波長とは独立していることにも留意されたい。
【００３２】
ここで図６及び図７を参照すると、平面波面及びヘリカル波面が示される。通常、平面波面６０２を有するレーザビームは、エルミート−ガウスモードで特徴付けられる。これらのモードは矩形対称性を有し、２つのモード指数ｍ  ６０４及びｎ  ６０６によって表される。ｘ方向にｍ個、ｙ方向にｎ個のノードが存在する。まとめると、ｘ方向及びｙ方向の組合せモードがＨＧｍｎ  ６０８と表示される。対照的に、図７に示すように、ヘリカル波面７０２を有するビームは、ラゲール−ガウスモード（指数Ｉ  ７０３と、絡み合ったヘリックスの数７０４と、ｐ（径方向ノードの数７０６）とによって表される）で最もよく特徴付けられる。ラゲール−ガウスモードは、ＬＧｍｎ  ７１０と表示される。ｌ≠０のとき、光ビーム３００上の位相特異点は、軸強度において０となる。ヘリカル波面を有する光ビーム３００が更に円偏光している場合、角運動量は軌道成分及びスピン成分を有し、光ビームの全角運動量は、１光子当たり
【数１０】
2019510202.tif 000012
である。
【００３３】
伝達されるエネルギー信号の軌道角運動量状態を用いて、信号によって伝達される電磁放射内に物理的な情報を埋め込むことができる。マクスウェル−ヘヴィサイド方程式は、以下のように表すことができる：
【数１１】
2019510202.tif 000013
ここで、∇はデル演算子であり、Ｅは電場強度であり、Ｂは磁束密度である。これらの方程式を用いて、マクスウェルの元の方程式から２３個の対称性／保存量を導き出すことができる。しかしながら、よく知られた保存量は１０個しかなく、これらのうち数個しか商業的に使用されていない。歴史的には、マクスウェルの方程式が元の四元数の形式を維持していれば、対称性／保存量を観測することはより容易であったと考えられるが、ヘヴィサイドによって現在のベクトル形式に修正されたことから、マクスウェルの方程式においてかかる固有の対称性を観測することがより困難となった。
【００３４】
保存量及び電磁場は、系のエネルギーの保存及び系の線形運動量の保存によって表すことができる。時間対称性、すなわち系のエネルギーの保存は、以下の方程式に従うポインティングの定理を用いて表すことができる：
【数１２】
2019510202.tif 000014
【００３５】
空間対称性、すなわち電磁ドップラーシフトを表す系の線形運動量の保存は、以下の方程式によって表すことができる：
【数１３】
2019510202.tif 000015
【００３６】
系のエネルギー中心の保存は、以下の方程式によって表される：
【数１４】
2019510202.tif 000016
【００３７】
同様に、方位角ドップラーシフトを生じる系の角運動量の保存は、以下の方程式によって表される：
【数１５】
2019510202.tif 000017
【００３８】
自由空間における放射ビームについては、ＥＭ場角運動量Ｊｅｍは、以下の２つの部分に分離することができる：
【数１６】
2019510202.tif 000018
【００３９】
実数表示での各々の特異フーリエモードについて：
【数１７】
2019510202.tif 000019
【００４０】
第１の部分はＥＭスピン角運動量Ｓｅｍであり、その古典的表示は波の偏光である。また、第２の部分はＥＭ軌道角運動量Ｌｅｍであり、その古典的表示は波のヘリシティである。概して、ＥＭ線形運動量Ｐｅｍと、ＥＭ角運動量Ｊｅｍ＝Ｌｅｍ＋Ｓｅｍとの両方が、遠距離場まで放射される。
【００４１】
ポインティング定理を用いることによって、信号の光渦度を以下の光学速度の方程式に従って決定することができる：
【数１８】
2019510202.tif 000020
ここで、Ｓはポインティングベクトル
【数１９】
2019510202.tif 000021
であり、Ｕはエネルギー密度
【数２０】
2019510202.tif 000022
であり、Ｅ及びＨはそれぞれ電場及び磁場を含み、ε及びμ０はそれぞれ媒質の誘電率及び透磁率である。次いで、以下の方程式に従い、光渦度Ｖを光学速度の回転（curl）によって決定することができる：
【数２１】
2019510202.tif 000023
【００４２】
ここで図８及び図９を参照すると、スピンベクトルのみが変化する平面波の状況（図８）、において、並びに、ポインティングベクトルが伝搬方向の周りをらせん状に回るようにスピン及び軌道ベクトルが変化する状況（図９）において、信号及び信号の対応するポインティングベクトルが変動する態様が示される。
【００４３】
図８に示される平面波の状況（平面波のスピンベクトルのみが変化する）では、伝達信号は３つの構成のうち１つをとることができる。スピンベクトルが同方向である場合、概して８０４に示されるように線形信号が供給される。８０４には線形信号を供給するためにｘ方向でのみ変化するスピンベクトルが示される。一方で、スピンベクトルをｙ方向で変化させ、８０４に示されるのと同様であるが、８０４に示される信号に対して垂直な向きに現れる線形信号を供給することもできることに留意されたい。８０４に示されるような直線偏光では、信号のベクトルは同方向であり、同じ大きさを有する。
【００４４】
８０６に示される円偏光においては、信号ベクトル８１２は互いに対して９０度であるが、同じ大きさを有する。これにより信号が８０６に示されるように伝搬し、図８に示される円偏光８１４をもたらす。楕円偏光８０８においては、信号ベクトル８１６は同様に互いに対して９０度であるが、異なる大きさを有する。これにより信号伝搬４０８に示されるような楕円偏光８１８がもたらされる。図８に示される平面波については、ポインティングベクトルは、図に示される様々な信号構成で一定方向に維持される。
【００４５】
図９の状況は、固有軌道角運動量を信号に適用した場合を示す。これが生じる場合、ポインティングベクトルＳ  ９１０は、信号の全体的な伝搬方向９１２の周りをらせん状に回る。ポインティングベクトル９１０は、３つの軸方向成分Ｓφ、Ｓｐ及びＳｚを有し、これらが変動することで、ベクトルが信号の伝搬方向９１２の周りをらせん状に回る。ポインティングベクトル９１０を含む様々なベクトルの値を変化させることで、ポインティングベクトルのらせんを変動させることができ、本明細書でより詳しく記載されるように、信号を同じ波長又は周波数で伝達することが可能となる。付加的に、ポインティングベクトル９１０によって示される軌道角運動量の値を測定し、走査機構によって処理される特定の物質の存在及び特定の物質に対応する濃度を決定することができる。
【００４６】
図１０Ａ〜図１０Ｃには、異なるヘリシティ（すなわち、適用される軌道角運動量）を有する信号の差異が示される。様々なヘリシティが、ビームを通過させた試料中の様々な物質及び物質の濃度を示す。信号に関連付けられた特定の軌道角運動量シグネチャを決定することにより、特定の物質及び物質の濃度量を決定することができる。信号１００２、１００４及び１００６に関連付けられたらせん状のポインティングベクトルの各々が、異なる形状の信号を供給する。信号１００２は＋１の軌道角運動量を有し、信号１００４は＋３の軌道角運動量を有し、信号１００６は−４の軌道角運動量を有する。各信号は特徴的な軌道角運動量及び対応するポインティングベクトルを有し、信号が、検出される軌道角運動量に対応する特定の物質及び物質の濃度の指標となることが可能となる。これにより、物質の決定、及び様々なタイプの物質の濃度を、信号から決定することが可能となる。軌道角運動量は、別個に検出可能であり、試料物質を通って伝達された信号の軌道角運動量に影響を与えた特定の物質及び特定の物質の濃度の固有の指標をもたらすからである。
【００４７】
図１１Ａは、様々な固有モードについてのポインティングベクトルの伝搬を示す。リング１１２０の各々が、異なる軌道角運動量を表す異なる固有モード又はねじれを表す。異なる軌道角運動量の各々が、特定の物質及び特定の物質の特定の濃度に関連付けられる。軌道角運動量の検出が、装置により検出される関連の物質の存在及び物質の濃度の指標をもたらす。リング１１２０の各々が、モニタリングされる異なる物質及び／又は選択された物質の濃度を表す。固有モードの各々が、異なる物質及び物質の濃度を示すリングを生成するポインティングベクトル１１２２を有する。
【００４８】
トポロジカルチャージを、直線偏光又は円偏光のいずれかの周波数に対して多重化することができる。直線偏光の場合、トポロジカルチャージを垂直偏光及び水平偏光で多重化する。円偏光の場合、トポロジカルチャージを左円偏光及び右円偏光で多重化する。トポロジカルチャージはヘリシティ指数「Ｉ」の別名、又は信号に適用されるねじれ若しくはＯＡＭの量である。ヘリシティ指数は、正であっても負であってもよい。
【００４９】
トポロジカルチャージｌは、図１１Ｂに示すように、らせん位相板（ＳＰＰ）（特定の屈折率を有する適切な材料を使用したもの）と、新たな材料から作り出されるホログラムを機械工作又は位相マスクする能力とを用いて生じさせることができる。らせん位相板は、ＲＦ平面波（ｌ＝０）を特定のヘリシティのねじれ波（すなわちｌ＝＋１）に変換することができる。
【００５０】
ここで図１２を参照すると、本明細書で上記に説明される原理に従い、装置によって検出される軌道角運動量に応じた物質の存在の検出及び様々な物質の濃度測定をもたらす装置のブロック図が示される。エミッタ１２０２は、一連の平面波を含む波エネルギー１２０４を伝達する。エミッタ１２０２は、図７に関して前述したもののような一連の平面波を供給することができる。軌道角運動量生成回路構成１２０６は、既知の態様で波１２０８に適用される軌道角運動量を有する一連の波を生成する。軌道角運動量生成回路構成１２０６は、本明細書で下記により詳しく説明されるように、ホログラム又は他の何らかのタイプの軌道角運動量生成プロセスを利用することができる。ＯＡＭ生成回路構成１２０６は、空間光変調器（ＳＬＭ）、振幅マスク又は位相マスクを通して平面波を伝達することで生成することができる。軌道角運動量ねじれ波１２０８が試験対象の試料物質１２１０に適用される。試料物質１２１０は物質を含有し、物質の存在及び濃度が本明細書に記載のプロセスに従い検出装置によって決定される。試料物質１２１０は容器内にあってもよいし、その天然の自然発生位置（個体の身体等）にあってもよい。
【００５１】
試料物質１２１０からの一連の出力波１２１２は試料から出射し、試料物質１２１０中の物質及び特定の研究対象物質の濃度の結果として、特定の軌道角運動量が付与される。出力波１２１２は、特定の研究対象物質によって生成される特定の軌道角運動量を増幅するマッピングアパーチャを備える整合モジュール１２１４に適用される。整合モジュール１２１４は、装置によって検出される特定の物質及び物質の濃度に関連付けられた軌道角運動量を増幅する。増幅されたＯＡＭ波１２１６が検出器１２１８に供給される。検出器１２１８は、試料中の物質及び物質の濃度に関するＯＡＭ波を検出し、この情報をユーザインタフェース１２２０に提供する。検出器１２１８は、試料を通過するビームから特徴的なトポロジー的特徴を検出するためにカメラを利用することができる。ユーザインタフェース１２２０は情報を解釈し、関連した物質のタイプ及び濃度の指標を個人又は記録デバイスに提供する。
【００５２】
ここで図１３を参照すると、エミッタ１２０２がより具体的に示される。エミッタ１２０２は、多数のタイプのエネルギー波１２０４をＯＡＭ生成モジュール１２０６へと放出することができる。エミッタ１２０２は、光波１３００、電磁波１３０２、音波１３０４又は任意の他のタイプの粒子波１３０６を放出してもよい。放出波１２０４は、軌道角運動量が適用されていない図４に示されるもののような平面波であり、様々なタイプの発光デバイスから生じさせることができ、情報が含まれていてもよい。一実施形態では、発光デバイスはレーザを備えていてもよい。平面波は、ねじれ又はヘリシティが適用されていない互いに平行な波面を有し、波の軌道角運動量は０に等しい。平面波内のポインティングベクトルは、波の伝搬方向と完全に一致している。
【００５３】
ＯＡＭ生成モジュール１２０６は、入射する平面波１２０４を処理して、エミッタ１２０２から供給された平面波１２０４に既知の軌道角運動量を付与する。ＯＡＭ生成モジュール１２０６は、ねじれ若しくはヘリカル電磁波、光波、音波又は他のタイプの粒子波をエミッタ１２０２の平面波から生成する。ヘリカル波１２０８は、図１４に示すように、波の伝搬方向とは整合しないが、伝搬方向の周りを進行する。ＯＡＭ生成モジュール１２０６は、一実施形態では、図１４に示されるように固定軌道角運動量ジェネレータ１４０２を備えていてもよい。固定軌道角運動量ジェネレータ１４０２は、平面波１２０４をエミッタ１２０２から受信し、固定軌道角運動量が適用された出力波１４０４を生成する。
【００５４】
固定軌道角運動量ジェネレータ１４０２は、一実施形態では、ＯＡＭねじれ波１４０４を生成するために、固定軌道角運動量を平面波１２０４に適用するホログラフィ画像を含んでいてもよい。軌道角運動量ジェネレータ１４０２に適用される光信号に対して所望の軌道角運動量ねじれを生成するために、様々なタイプのホログラフィ画像を生成することができる。これらのホログラフィ画像の様々な例が図１５Ａ〜図１５Ｄに示される。一実施形態では、軌道角運動量生成回路構成１２０６によってエミッタ１２０２から発信される平面波信号の変換が、ホログラフィ画像を用いて達成され得る。
【００５５】
市販の殆どのレーザは、平面波面と、ガウス関数によって表される横方向の強度とを有するＨＧ００（エルミート−ガウス）モード１６０２（図１６）を放出する。ＨＧ００エルミート−ガウスモード１６０２をラゲール−ガウスモード１６０４へと首尾よく変換するために多数の方法が用いられているが、ホログラムの使用が最も簡単に理解される。
【００５６】
ラゲール−ガウスビームを説明する円筒対称解ｕｐｌ（ｒ，φ，ｚ）は、以下の方程式によって与えられる：
【数２２】
2019510202.tif 000024
ここで、ｚＲはレイリー範囲であり、ｗ（ｚ）はビームの半径であり、ＬＰはラゲール多項式であり、Ｃは定数であり、ビームウエストはｚ＝０である。
【００５７】
コンピュータ生成ホログラムは、その最も簡単な形式では、計算された干渉パターン（所望のビームが従来のレーザのビームと小さな角度で交わる場合に生じるもの）から生成される。この計算されたパターンは、高解像度ホログラフィフィルムに転写される。現像されたホログラムが元のレーザビーム内に置かれると、結果として回折パターンが生じる。これの一次が所望の振幅及び位相分布を有する。これは、ＯＡＭ生成モジュール１２０６を実装する一態様である。ＯＡＭ生成モジュール内に使用されるホログラフィ画像の多数の例が、図１５Ａ〜図１５Ｄに関して示される。
【００５８】
ホログラム設計は、様々なレベルで洗練化される。黒色及び白色の領域のみを含み、グレースケールを持たないホログラムは、バイナリホログラムと称される。バイナリホログラムにおいては、干渉する２つのビームの相対的な強度は何の役割も有さず、ホログラムの透過率は、計算された位相差がゼロとπとの間となる場合には０に設定され、位相差がπと２πとの間となる場合には単位量に設定される。バイナリホログラムの限界は、入射電力がほとんど一次回折スポットに達しないということである（回折格子のブレージングにより部分的に克服することはできるが）。モード純度が特に重要である場合には、回折ビームが必要な径方向プロファイルを有するように、パターンのコントラストが半径に応じて変動する、より洗練されたホログラムを作り出すことも可能である。
【００５９】
ホログラフィ画像１５０２を通して照射される平面波は、ホログラフィ画像１５０２を通過した後に所定の軌道角運動量シフトが適用される。ＯＡＭジェネレータ１２０２は、同じ画像が使用され、ホログラフィ画像を通過するビームに適用されるという意味において、固定である。ホログラフィ画像１５０２は変化しないため、同じ軌道角運動量が常にホログラフィ画像１５０２を通過するビームに適用される。軌道角運動量ジェネレータ１２０２において利用することができる様々なホログラフィ画像の多数の実施形態が図１５Ａ〜図１５Ｄに示されるが、画像１５０２を通して照射されるビームにおいて必要な軌道角運動量を達成するために、任意のタイプのホログラフィ画像１５０２が利用できることを理解されたい。
【００６０】
図１７に示されるホログラフィ画像の別の例では、多数の軌道角運動量（ｌ）を発生させるために互いに格子状に組み合わされた２つの別個のホログラムを利用するホログラムが示される。図１７の重ね合わされたホログラムは、ｌ＝１及びｌ＝３の軌道角運動量を有し、互いに重ね合わされて複合渦格子１７０２を構成する。利用されるホログラムは、互いに格子状に組み合わされて、様々な数の軌道角運動量（ｌ）（２つのホログラムが直線状（ｌ＝＋１、ｌ＝０、ｌ＝−１）だけでなく、多くの変数をより容易に特定することが可能な正方形状にも）を発生させる態様で構築されていてもよい。このため、図１７の例においては、軌道角運動量は上端に沿うと＋４から＋１、−２へと変動し、下端では＋２から−１、−４へと変動する。同様に、左端に沿う軌道角運動量は＋４から＋３、＋２へと変動し、右端では−２から−３、−４へと変動する。ホログラムの水平中心を横切って与えられる軌道角運動量は、＋３から０、−３へと変動し、垂直軸に沿うと＋１から０、−１へと変動する。このため、ビームが通過し得る格子の部分に応じて、様々な軌道角運動量を実現することができる。
【００６１】
ここで図１８を参照すると、固定軌道角運動量ジェネレータに加えて、軌道角運動量生成回路構成１２０６は、調整可能軌道角運動量ジェネレータ回路構成１８０２を備えていてもよい。調整可能軌道角運動量ジェネレータ１８０２は、入力平面波１２０４を受信し、１つ以上の調整パラメータ１８０４を付加的に受信する。調整パラメータ１８０４は、調整可能ＯＡＭジェネレータ１８０２を調整して、選択された軌道角運動量を適用することで、ＯＡＭジェネレータ１８０２から出力される調整されたＯＡＭ波１８０６に選択された軌道角運動量値が適用される。
【００６２】
これは、様々な方法で実現することができる。図２２に示される一実施形態では、調整可能軌道角運動量ジェネレータ１８０２は、調整可能ＯＡＭジェネレータ１８０２内に複数のホログラム画像２２０２を含むことができる。調整パラメータ１８０４は、ホログラフィ画像２２０６の１つの選択を可能にし、セレクタ回路２２０４を介して所望のＯＡＭ波ねじれ出力信号１８０６を供給する。代替的には、図１６に記載されるような格子状のホログラフィ画像を利用し、ビームを格子状の画像の一部に照射して、所望のＯＡＭ出力を供給することができる。調整可能ＯＡＭジェネレータ１８０２は、供給される入力パラメータ１８０４に応じて、出力される軌道角運動量波１８０６に特定の軌道角運動量を適用するように制御されるという利点を有する。これにより、様々な物質の存在及び濃度をモニタリングするか、又は代替的には、同じ物質の様々な濃度をモニタリングすることが可能となる。
【００６３】
ここで図１９を参照すると、調整可能軌道角運動量ジェネレータ１８０２のブロック図がより具体的に実装される。ジェネレータ１８０２は、供給される光信号に対して様々なタイプの軌道角運動量を与える複数のホログラフィ画像１９０２を含む。これらのホログラフィ画像１９０２は、入力調整パラメータ１８０４に応答するセレクタ回路構成１９０４に応じて選択される。選択されたフィルタ１９０６は、セレクタ制御装置１９０４に応じて選択されたホログラフィ画像を含み、入力平面波１２０４を受信して、調整された軌道角運動量波出力１２０６を供給する。この態様では、所望の軌道角運動量を有する信号をＯＡＭ生成回路構成１２０６から出力することができる。
【００６４】
ここで図２０を参照すると、異なる軌道角運動量を適用することにより、ＯＡＭジェネレータ１２０６の出力が信号を変動させることができる態様が示される。図２０には、ポインティングベクトルがビーム軸に対してもはや平行でない（したがって軌道角運動量が適用された）ヘリカル位相面が示される。ビーム内の任意の固定半径内において、ポインティングベクトルは、軸の周りのらせん軌道に従う。行はｌによって表示され、軌道角運動量量子数
【数２３】
2019510202.tif 000025
は、出力信号内の１光子当たりのビームの軌道角運動量である。各々のｌについて、左の列２００２は光ビームの瞬時位相である。中央の列２００４は角度強度プロファイルを含み、右の列２００６は、かかるビームが平面波に干渉して、らせん状の強度パターンを発生させる場合に生じる状態を示している。これは、図２３の様々な行において軌道角運動量−１、０、１、２及び３について示される。
【００６５】
ここで図２１を参照すると、ＯＡＭジェネレータ１２０６により、モード変換器２１０４及びドーブプリズム２１１０を用いて、エミッタ１２０２から出力されたエルミート−ガウスビームを、軌道角運動量が付与されたラゲール−ガウスビームへと変換することができる代替的態様が示される。エルミート−ガウスモード平面波２１０２が、π／２モード変換器２１０４に供給される。π／２モード変換器２１０４は、ラゲール−ガウスモードのビーム２１０６を発生させる。ラゲール−ガウスモードビーム２１０６は、πモード変換器２１０８又はドーブプリズム２１１０（モードを逆転させ、逆ラゲール−ガウスモード信号２１１２を生じるもの）のいずれかに適用される。
【００６６】
ここで図２２を参照すると、ＯＡＭジェネレータ１２０６内のホログラムがねじれ光ビームを生成する態様が示される。ホログラム２２０２は、ヘリカル波面と、１光子当たりｌｈの関連付けられた軌道角運動量とを有する光ビーム２２０４及び光ビーム２２０６を発生させることができる。適切なホログラム２２０２は、所望のビーム形状２２０４、２２０６と平面波２２０８との間の干渉パターンから計算又は生成することができる。得られるホログラム２２０２内のホログラフィックパターンは、回折格子に似ているが、ビーム軸にｌ叉の転位を有する。ホログラムに平面波２２０８を当てると、一次回折ビーム２２０４及び２２０６は所望のヘリカル波面を有して所望の一次回折ビーム表示２２１０をもたらす。
【００６７】
ここで図２３を参照すると、試料１２１０がＯＡＭジェネレータ１２０６から供給される入力ＯＡＭねじれ波１２０８を受信し、特定のＯＡＭシグネチャ（試料１２１０中の物質又は特定のモニタリングされる物質の濃度に依存するもの）が関連付けられた出力ＯＡＭ波１２１２を供給する態様が、より具体的に示される。試料１２１０は任意の研究対象の試料を含むことができ、固体形態、液体形態又は気体形態とすることができる。本明細書に記載のシステムを用いて検出することができる試料物質１２１０は、様々な異なる物質を含むことができる。先に述べたように、物質は、血液、水、油又は化学物質等の液体を含んでもよい。Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｏ、Ｃ−Ｐ、Ｃ−Ｓ又はＣ−Ｎ等の様々なタイプの炭素結合を検出に供することができる。システムにより炭素原子間の様々なタイプの結合（例えば単結合（メタン又はイソオクタン）、二重結合要素（ブタジエン及びベンゼン）、又はアセチレン等の三重結合炭素要素）を検出することができる。
【００６８】
試料１２１０は、有機化合物等の検出可能な要素（炭水化物、脂質（cylcerol及び脂肪酸）、核酸（Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｐ）（ＲＮＡ及びＤＮＡ）、又はアミノＮＨ２とカルボキシルＣＯＯＨとのポリマー等の様々なタイプのタンパク質、又はトリプトファン、チロシン及びフェニルアラニン等のアミノを含む）を含んでもよい。モノマー、異性体及びポリマー等の試料１２１０中の様々な鎖を検出することもできる。試料中のＡＴＰ及びＡＤＰ等の酵素を検出することができる。身体の腺によって産生又は放出される物質が試料中に存在し、検出されてもよい。これらの物質としては、外分泌腺により管／導管を介して放出される要素、血液試料中に直接放出される内分泌腺、又はホルモンが挙げられる。試料１２１０中の分泌物を検出することができる様々なタイプの腺としては、視床下部、松果体、下垂体、副甲状腺、甲状腺、胸腺、胴の副腎および膵臓、および、男性または女性の卵巣または精巣から放出されるホルモンを含む。
【００６９】
試料１２１０は、メラノサイト及びケラチノサイト等の個体の血液及び尿中の様々なタイプの生化学的マーカを検出するために使用することもできる。試料１２１０は、防御物質を検出するために身体の様々な部分を含むことができる。例えば、皮膚に関しては、試料１２１０を使用してカロテノイド、ビタミン、酵素、ｂ−カロテン及びリコピンを検出することができる。眼の色素に関しては、メラニン／ユーメラニン、ジヒドロキシインドール又はカルボキシル基を持つもの(carboxylic)を検出することができる。システムは、身体の生合成経路内の様々なタイプの物質（ヘモグロビン、ミオグロビン、チトクローム、ポルフィリン分子（プロトポルフィリン、コポルフィリン、ウロポルフィリン及びヘマトポルフィリン等）を含む）を試料１２１０中で検出することもできる。試料１２１０は、プロピオン酸菌、アクネ等の、検出対象の様々な細菌を含有していてもよい。また、様々な種類の歯垢バクテリア（porphyromonos gingivitis、prevotella intremediおよびprevotella nigrescens等）が検出されてもよい。。試料１２１０を、血液試料１２１０におけるインスリン中のグルコースの検出に使用することもできる。試料１２１０は、検出されるアミロイド−βを含んでいてもよい。その場合には、試料中のアミロイド−βの検出を、早期アルツハイマー病の決定に用いることができる。より高レベルのアミロイド−βにより、アルツハイマー病の初期段階の指標を得ることができる。試料１２１０は、試料を通過する信号に固有ＯＡＭねじれを与える、検出することが望まれる任意の物質を含むことができる。
【００７０】
試料１２１０中で与えられるビーム内の軌道角運動量は、物質分子の回転に応じて、光から物質分子へと伝達され得る。ヘリカル波面を有する円偏光レーザビームが、ビーム軸の周りの光の角リング（angular ring）内に分子を捕捉すると、軌道角運動量及びスピン角運動量の両方の伝達を観察することができる。捕捉は、リングの強度勾配により機械的拘束なしに達成される光ピンセット（optical tweezing）の形態である。分子へと伝達された軌道角運動量により、図２４の２４０２に示されるように、分子がビーム軸の周りを周回する。スピン角運動量により、２４０４に示されるように分子がそれ自体の軸上でスピンする。
【００７１】
試料１２１０からの出力ＯＡＭ波１２１２には、入力ＯＡＭ波１２０８に与えられた軌道角運動量とは異なる軌道角運動量が関連付けられる。出力ＯＡＭ波１２１２における差異は、試料１２１０中に含有される物質及び試料１２１０中のこれらの物質の濃度に依存する。様々な濃度の様々な物質に、それぞれ固有の軌道角運動量が関連付けられる。このため、出力ＯＡＭ波１２１２に関連付けられた特定の軌道角運動量シグネチャを分析することによって、試料１２１０中に存在する物質に関する決定を行うことができ、試料中のこれらの物質の濃度も決定することができる。
【００７２】
ここで図２５を参照すると、整合モジュール１２１４は、試料１２１０から、試料１２１０を通過する波に付与された軌道角運動量に基づいて特定のシグネチャが関連付けられた出力軌道角運動量波１２１２を受信する。整合モジュール１２１４は、対象の特定の軌道角運動量を増幅し、増幅波（所望の対象の軌道角運動量１２１６が増幅されたもの）を供給する。整合モジュール１２１４は、特定の研究対象の物質又は特性に関連付けられた検出軌道角運動量を増幅する整合アパーチャを備えていてもよい。整合モジュール１２１４は、一実施形態では、対象の所望の軌道角運動量波を増幅するために、図１５Ａ〜図１５Ｄに関して記載したようなホログラフィックフィルタを備えていてもよい。整合モジュール１２１４は、システムにより検出が試みられる特定の対象の物質に基づいて確立される。整合モジュール１２１４は、図１５Ａ〜図１５Ｄに示されるようなホログラムを用いる固定されたモジュールか、又は、ＯＡＭ生成モジュール１２０６に関して論考したものと同様の態様の調整可能モジュールを含み得る。この場合、多数の異なる軌道角運動量を、試料１２１０中の様々な物質又は様々な物質の濃度を検出するために整合モジュールによって増幅することができる。整合モジュール１２１４の構成要素の他の例としては、試料１２１０から受信した波形における任意の所望の軌道角運動量値を増幅するための量子ドット、ナノマテリアル又はメタマテリアルの使用が挙げられる。
【００７３】
ここで図２６を参照すると、整合モジュール１２１４は、所望の軌道角運動量信号を増幅するためにホログラフィ画像を使用するのではなく、より高軌道角運動量の光ビームを生成するために非線形結晶(non-linear crystal)を使用することができる。非線形結晶２６０２を使用することで、基本成分軌道角運動量ビーム２６０４を非線形結晶２６０２に適用することができる。非線形結晶２６０２は、２次調和信号２６０６を生じる。
【００７４】
ここで図２７を参照すると、検出器１２１８（これに対して検出器１２１８が所望のＯＡＭ測定値２６０２を抽出することができるように、整合回路１２１４から増幅軌道角運動量波１２１６）がより具体的に示される。検出器１２１８は、増幅ＯＡＭ波１２１６を受信し、試料１２１０中の特定の物質の存在及び特定の研究対象物質の濃度に起因する、放出波の軌道角運動量における観察可能な変化を検出及び測定する。検出器１２１８は、試料１２１０に適用された入力ＯＡＭ波１２０８の状態からの、放出された増幅ＯＡＭ波１２１６における観察可能な変化を測定することが可能である。抽出されたＯＡＭ測定値２７０２は、ユーザインタフェース１２２０に適用される。検出器６１８は、軌道角運動量信号６１６における軌道角運動量の軌道角運動量状態のプロファイルを決定する軌道角運動量検出器２１０４と、軌道角運動量の軌道角運動量状態の検出プロファイルに応じて試料中の物質を決定するプロセッサ２１０６とを備える。検出器１２１８により軌道角運動量における差異を検出することができる態様は、図２８〜図３０に関してより具体的に示される。
【００７５】
図２８に、光のビームを試料２８０２に通過させることによるスピン角偏光と軌道角偏光との影響の差異が示される。試料２８０２ａでは、スピン角偏光が試料２８０２ａを通過するビームに応じて変化する態様が示される。試料２８０２ａを通過する特定のスピン角運動量２８０４を有する波の偏光は、位置２８０４から新たな位置２８０６へと回転する。回転は同一の偏光面内で生じる。同様に、試料２８０２ｂに関して示されるように、画像は、試料２８０２ｂを通過する前には、概して２８０８に示されるように現れる。画像が試料２８０２ｂを通過すると、画像は２８１０に示される位置から２８１２に示される回転した位置へと回転する。回転量は、試料２８０２中で検出される物質の存在及び検出される物質の濃度レベルに依存する。このため、図２８の試料２８０２に関して見られるように、スピン角偏光及び軌道角運動量の両方が試料２８０２中の物質の存在及び濃度に基づいて変化する。軌道角運動量の変化により引き起こされる画像の回転量を測定することによって、特定の物質の存在及び濃度を決定することができる。
【００７６】
この全プロセスを図２９により具体的に示すことができる。光源２９０２は、拡大光学部品２９０４を通して光ビームを照射する。拡大された光ビームは、軌道角運動量をビームに付与する、メタラブ生成ホログラム(metalab generated hologram)２９０６に適用される。ホログラム２９０６からのねじれビームは、特定の長さＬを有する試料２９０８を通して照射される。前述のように、試料２９０８は容器内にあっても、又はその自然発生状態であってもよい。これにより、ねじれビームが試料２９０８の出力側で生成し、様々な軌道角運動量２９１０が関連付けられた多数の検出可能な波が生じる。試料２９０８に適用される光ビームに関連付けられた画像２９１２は、試料２９０８中の物質の存在及び濃度に応じて角度φだけ回転する。画像２９１２の回転φは、軌道角運動量の各々の値−ｌ又は＋ｌで異なる。画像の回転の変化Δφは、以下の方程式に従って説明することができる：
【数２４】
2019510202.tif 000026
ここで、ｌは軌道角運動量数であり、Ｌは試料の経路長であり、Ｃは検出される物質の濃度である。
【００７７】
このため、試料の長さＬが既知であり、本明細書に記載のプロセスを用いて軌道角運動量を決定することができるため、これら２つの情報により、与えられる試料中の物質の濃度を計算することが可能となり得る。
【００７８】
上記の方程式を、図３０により具体的に示されるユーザインタフェースにおいて利用することができる。ユーザインタフェース１２２０により、内部アルゴリズム３００２を用いてＯＡＭ測定値３００２を処理し、或る種のユーザディスプレイに表示することができる物質及び／又は濃度の情報３００４を生成する。アルゴリズムは、一実施形態では、本明細書で上記に説明される方程式を利用し、試料の長さと、検出された軌道角運動量の変動と基づいて、物質及び／又は濃度を決定する。物質及び／又は濃度を計算するプロセスは実験室状況で行うことができる（情報が実験室又はユーザインタフェースに無線で伝達されてもよく、ローカルエリアネットワーク又はワイドエリアネットワークを介してパーソナルクラウド又はパブリッククラウドに接続された携帯電話上のアプリケーションを実行する携帯電話又はメーターに接続されたウェアラブルデバイスにユーザインタフェースが関連付けられてもよい）。デバイスのユーザインタフェース３０２０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ又は他の無線プロトコルを利用する有線又は無線の接続のいずれかを有し得る。
【００７９】
ここで図３１を参照すると、本明細書で上記に説明される態様で収集された、ユーザインタフェース１２２０内に蓄積された様々なデータが、より高レベルの分析のために保存され利用され得る態様が示される。本明細書で上記に説明されるようにデータを収集する様々なデバイス３１０２が、プライベートネットワーククラウド３１０４又はパブリッククラウド３１０６を介して通信することができる。プライベートクラウド３１０４により通信する場合、デバイス３１０２は単に、そのユーザデバイスに関連付けられたユーザの分析に関して使用される特定のユーザデバイスに関連付けられた情報を保管する。このため、個々のユーザは、自身の糖尿病をモニタリング及び管理するために、現在のグルコース濃度に関する情報をモニタリング及び保存することができる。
【００８０】
代替的には、情報をパブリッククラウド３１０６内の複数のデバイス３１０２からまとめる場合、この情報は個々のデバイス３１０２から直接、又は関連付けられたネットワークデバイス３１０２のプライベートクラウド３１０４を介してパブリッククラウド３１０６へと提供することができる。パブリッククラウド３１０６内のこの情報を利用することで、パブリッククラウド３１０６に関連付けられたサーバ３１０８内に大きなデータベースを確立することができ、個々のデバイス３１０２の各々から処理された情報に関連付けられた様々な健康関連問題の大規模分析が可能となる。この情報は、公衆衛生問題の分析に使用することができる。
【００８１】
このため、ユーザインタフェース１２２０は、物質及び／又は濃度の情報３００４を決定するアルゴリズム３００２を含むだけでなく、図３１に関して記載したように、収集された情報をパブリッククラウド又はプライベートクラウドによって無線で伝達することを可能にする無線インタフェース３００６を含む。代替的には、ユーザインタフェースは、収集された情報をリモート位置に無線で伝達するのではなく、ローカルに保存することを可能にするストレージデータベース３００８を含んでいてもよい。
【００８２】
ここで図３２を参照すると、グルコース試料を通して照射された光ビームの光子の軌道角運動量を用いたグルコースの存在及び濃度を測定する特定の装置のブロック図の特定の例が示される。本例はグルコースの検出に関するものであるが、この例が任意の物質の存在及び濃度の検出に適用可能であることを当業者であれば理解されよう。このプロセスでは、図２５に関して記載されるような非線形結晶を用いたヘリカル光ビームにより２次高調波が生じる。発光モジュール２４０２は、ＯＡＭ生成モジュール３２０４に供給される平面電磁波を生成する。ＯＡＭ生成モジュール３２０４は、電磁渦を有する波を生じるために、ホログラムを用いて軌道角運動量が適用された光波を生成する。ＯＡＭねじれ波が研究対象の試料３２０６に適用され、試料中のグルコース及びグルコース濃度が検出される。回転したシグネチャが図２８及び図２９に関して前述した態様で試料３２０６を出射し、整合モジュール３２０８に供給される。整合モジュール３２０８が軌道角運動量を増幅することで、観察された濃度がグルコースのシグネチャの軌道運動量から計算可能となる。これらの増幅された信号は、検出モジュール３２１０（ビームの半径ｗ（ｚ）又は光ビームにより試料に与えられる画像の回転を測定する）に供給される。この検出された情報は、ユーザインタフェース（有線接続されたセンサインタフェース又は無線のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ又はＺｉｇＢｅｅ接続を含む）に与えられ、試料に関する濃度情報を表示する読み取りメーター又はユーザの電話へと物質を与えることが可能となる。このようにして、本明細書に記載の様々なタイプの物質の濃度を、研究対象の試料の軌道角運動量シグネチャを利用して決定することができ、試料中のこれらの物質又はそれらの濃度の検出が記載のように決定される。
【００８３】
ラゲール多項式の直交性を条件として、軌道角運動量（ＯＡＭ）を示すラゲールガウスビームが、通信アプリケーション（例えばｍｕｘ−ｄｅｍｕｘ光学素子設計を用いるもの）における空間分割多重化（ＳＤＭ）の基礎として決定されている。ＯＡＭビームは、量子情報科学においても関心が持たれている。ＯＡＭは、キラル及び非キラル分子の溶液のプロービングも可能にする。
【００８４】
図３３に、情報を伝達及び検出する更なる光学配置が示される。ねじれネマティックＬＣＯＳ  ＳＬＭ  ３３０２には、９μｍのピッチ及び８ビットの分解能を有する１０２４×７６８アレイ（可視波長範囲（４３０ｎｍ〜６５０ｎｍ）をカバーし、ＶＧＡ接続を介して容易にインタフェースされる）が実装される。プログラム可能なＳＬＭ  ３３０２は、様々な設計のビームの生成を可能にする。シリコン上のねじれネマティック（ＴＮ）液晶（ＬＣＯＳ）ＳＬＭは、入力平面波１０２（図１）又はガウスビームの位相面を変調するホログラムの実現に特に有用である。ＳＬＭは、例えばホログラムを用いてビーム入力にインプリントされた任意の二次元位相シフトを定義するために、Ｍａｔｌａｂ又はＭａｔｈｅｍａｔｉｃａ等の一般的なソフトウェアパッケージを用いてコンピュータアドレス可能である。
【００８５】
コリメートされた入力ビームがディスプレイから反射され、位相遅延フォーク型回折格子又はホログラムによって適切に符号化される。フォーク型回折格子についての生成方程式は、以下のようにフーリエ級数として表すことができる：
【数２５】
2019510202.tif 000027
【００８６】
ここで、ｒ及びφは座標であり、ｌは渦度の次数であり、Ｄはフォーク極から離れた直線回折格子の周期である。位相回折格子のフーリエ成分の重みｔｍは、以下のように整数次のベッセル関数で表すことができる：
【数２６】
2019510202.tif 000028
【００８７】
ここで、ｋαはフォーク型回折格子の位相にバイアスをかけ、ｋβはフォーク型回折格子の位相を変調する。通例、ＯＡＭビームの生成には、この級数の一部の項しか必要でない。例えば、以下の転写パターンにより奏功している：
【数２７】
2019510202.tif 000029
【００８８】
ここで図３３を再び参照すると、試験対象の試料３３０３を通過する信号の固有シグネチャを検出する光学配置が示される。試料３３０３は容器内にあっても、又はその自然発生状態であってもよい。高レベルでは、この機器はマッハツェンダー干渉計を備える。干渉計の一方のアームが参照ビーム３３１０を伝搬させる。参照ビーム３３１０が、テレスコープ３３０６を通って伝達される複数の平面波を含む光ビームを生成するレーザ３３０４によって生じる。テレスコープ３３０６からの平面波光ビームは、第１のビームスプリッタ３３０８を通過する。ビームスプリッタ３３０８が、ミラー３３１１から干渉回路３３１２へと反射される参照ビーム３３１０を生成する。参照ビーム３３１０は平面波であってもよく、レンズを追加して球波面を実現してもよい。このアームは、振幅のみの測定では遮断される。
【００８９】
第２のアームでは、ビームスプリッタ３３０８からの、分離された平面波ビームが、ビームコンバイナ３３１４で、空間光変調器３３０２から供給されるビームと結合される。空間光変調器３３０２はフォーク型ホログラム３３１６を含み光ビームを供給する。ビームコンバイナ３３１４により、ＳＬＭ  ３３０２からのフォーク型ホログラムビーム３３１８と、レーザ３３０４からの平面波ビーム３３２０とが結合され、既知のシグネチャのＯＡＭ又は他の直交関数ねじれビームが生成する。このビームは、一連のミラー３３２２により反射され、ピンホールアパーチャ３３２４に集束された後、既知の軌道角運動量を有するビームが試験対象の試料３３０３を通過する。
【００９０】
試料ねじれビーム３３２６は、信号コンバイナ３３１２において参照ビーム３３１０により干渉されている。この干渉画像を続いてカメラ又は記録デバイス３３２８によって記録することができる。これにより固有ＯＡＭシグネチャ３３３０が与えられ、試験対象の試料３３０３中の物質を検出するために分析することができる。明らかなように、固有ＯＡＭシグネチャ３３３０は、伝達ビームのシグネチャ３３３２とは異なる。シグネチャが変化する態様を、以下により詳しく説明する。
【００９１】
第２のアームでは、コリメータされた平面波入力ビーム３３２０を、ＬＣＯＳ  ＳＬＭ  ３３０２を使用してＯＡＭ符号化ビームへと変換する。ＳＬＭ  ３３０２は、拡張ラップトップディスプレイ上のＭａｔｌａｂプログラムによって駆動され、任意のｌ又はρのフォーク型ホログラムが表示される。ＳＬＭ  ３３０２に続いて、ビームが３つのミラー３３２２により反射され、回折ＯＡＭモードの分離に十分な距離が与えられることで、ピンホール絞りアパーチャ３３２４により試験対象の試料３３０３を通過する所望のモードを選択することができる。
【００９２】
幾つかの対象の物質を、図３３のセットアップを使用してＯＡＭシグネチャにより検出することができる。これらの物質の例としては、アセトン、イソプロピルアルコール、スクロース、アミロイド−β及びグルコース（水蒸気蒸留水中）が挙げられる。キャップにＢＫ７カバーガラスを有する、分光グレードのソーダ石灰ガラスキュベット（１ｃｍ×２．５ｃｍ×３ｃｍ）又はより大きな特注の円形キュベットを利用して、試験対象の試料３３０３を収容することができる。
【００９３】
試験対象の試料３３０３は、平行移動ステージに載置される。平行移動ステージは、試料の移動又はビーム投影装置の移動のいずれかによるビーム経路の内外への迅速かつ反復可能な位置決めを可能にするように配置される。付加的に、試料サービスからの後方反射が慎重にモニタリングされ、偽の二次相互作用が生じないように絞りによって遮断される。試料を通る光電力は低い（２５μＷ未満）ため、屈折率に依存する溶液中の温度勾配が回避される。
【００９４】
試験対象の試料の前後への波長板、可変リターダ及び偏光子の挿入により、特筆すべき結果は生じなかった。グルコースがこれらの波長で旋光応答を有することがよく知られているが、濃度と経路長との積は、偏光状態の著しいシフトを発生させるには小さすぎる。これにより、ＯＡＭ及びグルコースが、分子の旋光性よりも顕著な応答であるということが示唆される。
【００９５】
機器の出力でのビームの画像３３３０は、高解像度ＤＳＬＲカメラ３３２８を用いて記録される。高解像度ＤＳＬＲカメラ３３２８は、ビーム伝搬方向に垂直に固定して取り付けられ、機器の振動又は移動を防ぐために遠隔起動される。楕円率の測定は、Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ及びＭａｔｌａｂ（又は同様のタイプの画像を測定及び処理するソフトウェア若しくはアプリケーション）を用いて行われる。
【００９６】
この機器を用いて、試験対象の試料３３０３により入力ビームに付与されたＯＡＭ状態の変化を、強度及び位相の両方の点で定量化することができる。主にグルコース水溶液を用いて一連の実験を行った。１５％原液を様々な所望の濃度に希釈した。糖の様々な異性体が平衡に達する前に互いに相互作用するため、新たな又は変化させた溶液には整定時間が必要となる。溶液を、一晩（およそ１５時間。推奨される２時間よりもはるかに長い時間である）かけて、蒸発を防ぐためにキャップをしたキュベット内で平衡させた。
【００９７】
図１に関して前述したように、試料３３０３の通過により、固有ＯＡＭシグネチャが試料を通過する光ビームに付与される。この固有ＯＡＭシグネチャにより、試料中の物質の存在及び試料中の物質の濃度が特定される。この固有ＯＡＭシグネチャは、試料３３０３に入力されるＯＡＭ信号シグネチャとの多数の差異を有する。固有ＯＡＭシグネチャの特徴が図３４〜図３６に示される。図３４には、ＯＡＭ強度図の楕円率が試料３３０３を通過した後に変化する態様が示される。初期には、３４０２に示されるように、強度図は実質的に円形の形状（試料３３０３を通過する前の平面波ＯＡＭビームからのもの）を有する。試料３３０３を通過した後、強度図は、概して３４０４に示されるように、はるかに楕円的な形状を有する。この楕円の形状は、検出される物質及び検出される物質の濃度に依存して異なる固有の特性である。強度図の楕円率を検出することによって、試料中の特定の物質の存在を決定することができる。
【００９８】
図３５に、試料３３０３を通過することによって変化し得るＯＡＭシグネチャの更なる特性が示される。この場合、強度図の重心がシフトしている。位置３５０２は、試料３３０３を通過する前の強度図の重心の初期位置を示している。試料３３０３を通過した後、重心は位置３５０４へと移動し、これは試料を通過する前の元の位置からの顕著なシフトである。シフトは、様々な物質によって、それぞれ固有的に影響を受ける。このため、重心のシフトをＯＡＭ特徴的シグネチャ特性として用いることもでき、重心のシフトが特定の物質の存在及び物質の濃度を示す。強度図の重心のシフトの分析に基づいて、物質の存在及び／又は濃度を決定することができる。
【００９９】
最後の特徴的ＯＡＭシグネチャ特性が図３６に示される。この場合、強度図の楕円の主軸３６０２が、第１の位置３６０２から第２の位置３６０４へと角度θ  ３６０６でシフトする。強度図の楕円の主軸は、検出される物質に基づいて位置３６０２から位置３６０４へと回転する。角度θは、検出される特定の物質及び物質の濃度に固有的に関連付けられる。このため、強度図において決定された角度θに基づいて物質を検出することができる。
【０１００】
数学的モデルを用いて、離心率の変化、重心のシフト又は平行移動、軸の回転の各々によって与えられる固有ＯＡＭシグネチャを表すことができる。離心率の変化は、以下によって表すことができる：
【数２８】
2019510202.tif 000030
ここで、ａ、ｂ、ｃは楕円の寸法である。
【０１０１】
重心の変化は、以下の行列に従い、ベクトルｖの空間におけるシフト又は平行移動によって表すことができる：
【数２９】
2019510202.tif 000031
【０１０２】
各軸の回転は、３つの異なる向きの回転を示す以下の一連の行列によって表すことができる：
【数３０】
2019510202.tif 000032
【０１０３】
図３７Ａ及び図３７Ｂに示される例では、水のみ（図３７Ａ）及び１５％グルコース濃度を有する水（図３７Ｂ）からなる試料へのＯＡＭビームの適用が示される。５４３ｎｍでのｌ＝７のＯＡＭビームが水のみの３ｃｍキュベットを通って伝搬し、図３７Ａに示される強度図が得られる。図３７Ｂに示される強度図は、ｌ＝７のＯＡＭビームが１５％グルコース水溶液を通過する場合に得られる。ＯＡＭシグネチャは、図３７Ａの強度図に示される、通常の円形ビーム振幅上に誘導される楕円率として現れる。特徴的シグネチャの効果は、図３８Ａ及び図３８Ｂに示されるような位相図でも観察することができる。図３８Ａ及び図３８Ｂには、水の３ｃｍキュベット（図３８Ａ）及び１５％グルコース水溶液の３ｃｍキュベット（図３８Ｂ）を通って伝搬する、６３３ｎｍでのｌ＝２のＯＡＭビームのインターフェログラムが示される。この特定の干渉では、参照ビームは同じ球波面を有する。このため、本質的にらせん状のパターンが位相測定において観察される。特に、グルコース溶液を通って伝搬する試料の位相面の２つのらせんのうち１つにおけるねじれシフトに留意されたい。らせん状のパターンのシフトが、この実験における相互作用のシグネチャである。
【０１０４】
非摂動ＯＡＭモードは数メートルの自由空間を伝搬する。グルコース試料は位相摂動をＯＡＭビームに付与するようであり、それによりＯＡＭモードが伝搬方向にトポロジー的に関係付けられる。この効果により、より高感度の計測が可能となる。図３９にＯＡＭビームの振幅を示し、図４０にＯＡＭビームの位相を示す。ビームはＯＡＭ  ｌ＝のビームであり、５％グルコース溶液の３ｃｍキュベット及びキュベットの４メートル上方の面を通過する際に摂動される。ビームの楕円率は、振幅測定及び位相測定の両方ではるかに顕著である。
【０１０５】
ＯＡＭシグネチャは、グルコース濃度に関して非線形であり、或る条件下では濃度により幾らか周期的であるようである。グルコース濃度に応じた楕円率を、３ｃｍキュベットを用いてＯＡＭモードｌ＝５、６、７で水中５％〜９％のグルコース濃度について図４１にプロットする。初期データにはノイズが多いが、この傾向は幾つかのＯＡＭモードにわたって持続する。
【０１０６】
およそ７５０ｎｍを中心とし、当業者に理解されるように、およそ２５０ｎｍのＦＷＨＭ（半値全幅）を有するグルコースの広い吸収帯が見られる。グルコースの５４３ｎｍでの吸光度が６３３ｎｍでの吸光度の４分の１であることを考えると、形式波長（formal wavelength）がより強いＯＡＭ応答をもたらすのは興味深い。これにより、相互作用が感受率の虚部χ’’ではなく感受率の実部χ’に基づくことが示唆される。これとは別の、グルコースの旋光性の特性化では、長さ２０ｃｍの試料セルを用いて、５４３ｎｍにおいて６３３ｎｍよりも５０％大きな比旋光度が測定されたことにも留意されたい。しかしながら、ＯＡＭ研究では、偏光による効果に識別可能な変化は見られず、３ｃｍの試料を通るビームの偏光状態の変化も観察されなかった。このことは、キラル分子を用いた以前のＯＡＭの偏光研究と一致する。
【０１０７】
ＯＡＭビームの渦度が効果に重要であるかの確認として、円環を使用して、単純な光のリングをグルコース試料に通して投影した。円環パターンを従来のプラスチック透明シートに印刷し、拡大されコリメートされた平行５４３ｎｍレーザビームを当てた。図４２Ａ〜図４２Ｃで明らかなように、水（図４２Ｂ）又はグルコース（図４２Ｃ）溶液のキュベットを通して、歪み又はシグネチャは観察されなかった。リング直径の変更は、典型的なＯＡＭビームよりも大きな直径についても、これらの結果を変化させなかった。円環直径がキュベットよりも大きい場合、明白なクリッピングが観察された。本試験におけるビームの出力レベルは、ＯＡＭ実験よりもオーダーが大きかった。このため、熱的効果は強調されているであろう。
【０１０８】
グルコース水溶液を実験に使用したため、水中でのＯＡＭの伝搬の研究が重要である。希釈に使用される溶媒である水蒸気蒸留水を、様々な連結及び断面の清浄な新たなセルに入れ、この媒質を通る様々なＯＡＭビームの伝搬を測定した。乾燥セル、経路長０．５ｃｍの試料及び８ｃｍの水の試料を通って伝搬するＯＡＭモードにおいて、識別可能な差異は観察されなかった。
【０１０９】
別の否定的な結果が、液晶可変リターダを通してＯＡＭビームを伝搬させた実験において観察された。図４３において参照符号４３０２、４３０４及び４３０６は、０．１Ｖ〜６Ｖの様々な駆動電圧についての可変波長板の出力でのｌ＝７のＯＡＭモードを示す。
【０１１０】
直交関数処理されたビームを試料に通して照射することにより発生させた強度画像の離心率は、多数の様々な要因のためにばらつきを有し得ることに留意されたい。図４４には、レーザ４４０２により発生させた光ビームを、ＳＬＭ  ４４０４によって与えられるホログラムによって変化させ、ＯＡＭねじれビーム４４０６を生成する例が示される。ＯＡＭねじれビームは、ＯＡＭ関数によって変化することに加えて、エルミートガウス関数、ラゲールガウス関数又は任意の他のタイプの直交関数を用いて処理してもよい。ＯＡＭねじれビームは、レンズ及びミラーのシステム４４０８を通して集束され、ビームがモード分類器４４１０を通して指向される。ビームはモード分類器４４１２で再生成されて、それぞれのモードに分離され、強度画像はカメラ４４１４によって登録することができる。
【０１１１】
レーザ４４０２からのビームは、およそ０．１５の固有の離心率を有する。図４５に示されるように、ＳＬＭによって発生させた様々なＯＡＭモードが列４５０２にｌ＝５、４、３、２、１について示される。明らかなように、ＳＬＭによって発生させたモードの離心率と、第２のモード分類器４４１２によって再生成したモードの離心率との間に差異が見られる。
【０１１２】
Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ及びＭａｔｌａｂを用いて離心率の測定を行い、特異的シグネチャを特定する。ここで図４６を参照すると、長軸に沿った半径「ａ」、短軸に沿った半径「ｂ」、及び楕円の焦点４６０４までの距離「ｃ」を有する楕円４６０２の例が示される。楕円の離心率は、離心率＝ｃ／ａの方程式によって表される。離心率は０〜１で変化し、０は円を表し、１は線を表す。離心率の方程式は、以下の方程式に従って計算される：
【数３１】
2019510202.tif 000033
ここで、ｘｉは楕円中のピクセルのｘ位置であり、ｙｉは楕円中のピクセルのｙ位置であり、Ｎは楕円中のピクセルの数である。
【０１１３】
試料がキュベット内に存在しない場合に離心率が０よりも大きいことが見出されている。多数の要因が、このゼロでない離心率に寄与する。ＯＡＭねじれ信号は、屈折率に影響を及ぼし得る多数の異なる要因に基づいて異なる離心率をもたらすことが見出されている。これらの要因としては、重力によるキュベット内の物質の試料分布、空間光変調器からのカメラの距離、及び空間光変調器からのカメラのカメラ角度等が挙げられる。離心率に影響を及ぼす他の要因は、キュベットの位置決め、試料による屈折率の変化、キュベットの形状、並びにキュベットからのビームの入射角及び出射角である。
【０１１４】
幾つかの画像処理要因も、許容誤差外の変化を引き起こさないと判明した。ソフトウェア処理エラー、ＯＡＭでない円形マスク、試料の滞留時間（sitting time）、又は試料容器を含むガラス若しくはプラスチックとの試料の相互作用に基づく変化が離心率の変化をもたらし得るが、この変化はキュベットの向き、カメラの位置合わせ等によって引き起こされる光学的障害に起因するものではない。これらの要因は離心率の幾らかの変化を発生させるが、これらは許容誤差内であり、離心率の変化の大部分が検出される分子のシグネチャに基づく。
【０１１５】
ここで図４７を参照すると、カメラ４４１４によって撮影した強度画像を分析するフロー図が示される。強度画像には閾値倍精度振幅(threshold double precision amplitude)が適用され、工程４７０２でリング外の余分なピクセルなしにリングを明瞭に見ることが可能である。次に工程４７０１で、画像全体について列及び行の両方が走査される。最大の２つの山について、ピーク及びそれらの位置が工程４７０６で決定される。工程４００８で、見出された全てのピーク位置について楕円がフィッティングされる。最後に工程４７１０で、楕円の長軸及び短軸、楕円の焦点、楕円の幾何中心、離心率及び向きが決定される。
【０１１６】
図４８には、楕円フィッティングアルゴリズムのフローチャートが示される。工程４８０２で、見出された全てのピークについてＸ及びＹのピクセル位置を入力する。工程４８０４で、円錐方程式パラメータについての最初の推測を行う。円錐方程式パラメータは、方程式Ａｘ２＋Ｂｙ２＋Ｃｘ＋Ｄｙ＋Ｅ＝０についてのパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥを含む。工程４８０６で、共役勾配アルゴリズムを用いて、最適なフィッティングをもたらす円錐方程式パラメータを見出す。楕円の向きが工程４８０８で決定され、動かして長軸及び短軸を決定する。工程４８０８の決定は、方程式
【数３２】
2019510202.tif 000034
に従って決定される。工程４８１０で、楕円の向きを戻し、楕円の中心点を決定する。最後に工程４８１２で、円錐方程式が楕円を表すかの決定を行う。楕円の場合、パラメータＡ及びＢが存在し、同じ符号を有するが、等しくはならない。この分析に基づいて、最大１ｍｍの横方向シフトが、最大０．２のクリッピングにより、測定される離心率において顕著な変化を引き起こし得ることが決定される。
【０１１７】
［非整数ＯＡＭ信号］
ＯＡＭねじれビームを用いた分子分光法は、非整数(fractional)ＯＡＭ状態を他の強度シグネチャ（すなわち、離心率、質量中心のシフト及び楕円強度の回転）、並びに位相シグネチャ（すなわち、散乱ビームの位相の変化）及び特定の形式の公開された（publicity distributed）スペクトルと共に分子シグネチャとして活用することができる。円偏光光子によるエレクトロニクスの光学的配向法が、固体状態の物質におけるスピン角運動量を研究するために多用されている。このプロセスは、角運動量を陽子のスピンから電子のスピンへと伝達するためにスピン−軌道カップリングに依存し、光学的に励起されたスペンド(spend)の動力学を研究するために、ポンプ−プローブのカー及びファラデーの回転実験に組み込まれている。スピンのデコヒーレンス、輸送及び相互作用による研究を可能にすることにより、この戦略は半導体スピントロニクスの開発においてある役割を果たしている。
【０１１８】
提案されている分光技法は、代わりに、局在化された軌道角運動量（ＯＡＭ）及び固体に焦点を合わせている。具体的には、空間的な広がりで巨視的であり得る包絡波動関数に関連付けられた非局在化ＯＡＭと、通例、スピン及び関連の電子状態の影響に組み込まれる原子位置(atomic site)に関連付けられた局所ＯＡＭとを区別することができる。前者のタイプの角運動量は、軌道フリート（fleet）コヒーレントシステム（例えば量子ホール層、超電導体及びトポロジカル絶縁体）の基本的な対象である。これら及び他のシステムにおいて非平衡非局在化ＯＡＭを研究する技法は、キラル電子状態の散乱及び量子コヒーレンスの理解を改善する機会をもたらし、材料の発見に影響を与える可能性がある。
【０１１９】
光とβアミロイド中のグルコースとの相互作用及びこれらに関するＯＡＭの分光法用途。付加的に、楕円ファイバにおける音響モードと光子モード（photonic modes）との間のＯＡＭの伝達、ＯＡＭを有するラマンサイドバンドの生成、プレザントモニカレンズ(pleasant Monica lens)を用いたＯＡＭ、パターン化されたシン(sin)金属膜におけるＯＡＭ光に対する２Ｄプレザントモニカアナログを生成するための直線偏光の適用における波混合を用いた励起子における光学的にコヒーレントなＯＡＭの研究、及び、効率的な半導体のためのエレクトロニクスまでのスピン偏光投票(spin polarized vote)を生成するＯＡＭ光の可能性も、これらの技法に用いられ得る。
【０１２０】
ここで図４９を参照すると、整数ＯＡＭ状態と関連する問題を軽減し、上記と同様の目的で非整数ＯＡＭの安定状態の使用を可能にするために、入れ子状（nested）非整数ＯＡＭ状態を使用する一態様が示される。この場合、入力信号４９０２が非整数ＯＡＭ生成回路構成４９０４に供給される。非整数ＯＡＭ生成回路構成４９０４は、非整数直交状態を有する出力信号４９０６を生成し、これを続いて本明細書で論考されるように更に適用又は検出することができる。
【０１２１】
光ビームの軌道角運動量は、それらの方位角位相構造の結果である。光ビームは、位相因子ｅｘｐ（ｉｍφ）（ここで、ｍは整数であり、φは方位角である）を有し、ビーム軸に沿って１光子当たり
【数３３】
2019510202.tif 000035
の軌道角運動量（ＯＡＭ）を有する。これらの光ビームは、ビームの位相を操作する、らせん位相板又はホログラム等の光学デバイスによって実験室内で生成することができる。かかるデバイスにより整数値のｍを有する光ビームが生成する場合、得られる位相構造は、等しい位相の｜ｍ｜個の絡み合ったヘリックスの形態を有する。整数値のｍについては、光学デバイスによって生成する位相ステップの選ばれる高さは、得られるビームにおけるＯＡＭの平均値に等しい。
【０１２２】
近年、非整数のステップ高さを有するらせん位相ステップ、及び空間ホログラムが、非整数ＯＡＭ状態を有する光ビームの生成に使用されている。これらの実施においては、生成用光学デバイスがｅｘｐ（ｉＭφ）（ここで、Ｍは整数値に制限されない）の位相変化を起こす。かかるビームの位相構造は、はるかに複雑なパターンを示す。交番する電荷を有する一連の光渦が、光学デバイスによりインプリントされた位相不連続の方向にわたる暗線に生じる。これらのビームの軌道角運動量の平均値を得るためには、渦パターンの平均をとる必要がある。この平均値は、整数値及び半整数値についてのみ位相ステップと一致する。量子状態として非整数ＯＡＭを有するビームを表すには、光学と量子論との間に確実により多くの関連性が存在する。
【０１２３】
非整数ＯＡＭを有する光モードの理論的説明は、生成用光学デバイスに基づく。整数ＯＡＭ値については、角度自体を量子力学的エルミート演算子として扱う方法をもたらす理論的説明が存在し得る。この説明により、セキュアな量子通信システムの基礎的な理論を与え、角度及び角運動量についての不確定性関係を形作ることができる。この理論を非整数値のＭについて一般化し、それにより非整数ＯＡＭを量子力学的に説明することができる。そのような厳密な公式には特に関心が持たれ、半整数らせん位相板が高次元のもつれを研究するために用いられる。非整数ＯＡＭ状態は、位相ステップの高さだけでなく、位相転位の向きαによっても特徴付けられる。奇半整数値（Ｍ  ｍｏｄ  １＝１／２）のＭについては、同じＭを有しαがπだけ異なる状態は直交する。光媒体での軌道角運動量へのスピンの変換における量子鍵配送への整数ＯＡＭの最近の適用の観点から、量子通信への非整数ＯＡＭの考え得る適用には厳密な公式が重要である。
【０１２４】
伝搬方向Ｌｚ及び方位回転角におけるＯＡＭの成分は、１対の共役変数（時間−周波数又は空間−運動量と同様）を形成する。どちらも非有界の連続した状態空間上で定義される線形位置及び運動量とは異なり、ＯＡＭ及び回転角の状態空間は本質的に異なる。ＯＡＭ固有状態は状態の離散集合を形成し、ｍは全ての整数値をとる。２πラジアン未満しか異ならない回転角を区別するのは物理的に不可能であるため、角度演算子の固有状態は２πラジアン間隔に制限される。角度演算子の特性は、任意の大きさであるが、有限の２Ｌ＋１次元の状態空間において厳密に導き出される。この空間は、角運動量状態｜ｍ〉にわたり、ｍは−Ｌ、−Ｌ＋１、．．．Ｌの範囲である。したがって、２πラジアン間隔［θ０，θ０＋２π）は、２Ｌ＋１個の直交角度状態｜θｎ〉にわたり、θｎ＝θ０＋２πｎ／（２Ｌ＋１）である。ここで、θ０により間隔の始点が決まり、これにより特定の角度演算子φ＾θが決まる。物理的結果がこの状態空間内で計算された場合にのみ、Ｌは無限に向かってもよく、これにより、無限であるが可算数のＯＡＭの基底状態及び２πラジアン間隔内の角度状態の稠密集合の結果が再現される。
【０１２５】
非整数ＯＡＭを有する量子状態は、｜Ｍ〉（ここで、Ｍ＝ｍ＋μであり、ｍは整数部であり、μ∈［０，１）は小数部である）によって示される。状態｜Ｍ〉は、以下に従って角度状態に分解される：
【数３４】
2019510202.tif 000036
重要なことには、αは０≦α＜２πによって制限され、不連続の向きが常にθ０から測定されるように理解されることに留意されたい。この構成では、非整数状態｜Ｍ〉は、以下のように表すことができる：
【数３５】
2019510202.tif 000037
【０１２６】
整数ベースのＯＡＭ生成用途では、光ビームは、らせん位相板を用いて生成することができる。しかしながら、非整数位相ステップを有する、らせん位相板を用いて生成した光ビームは、伝搬時に不安定である。しかしながら、非整数軌道角運動量ビームを有する光を、らせん位相板の位相ステップではなく、ラゲール−ガウスモードの合成によって生成することができる。これは、図５０に示されるように空間光変調器５００２を用いて達成することができる。入力信号５００４が空間光変調器５００２に供給され、非整数ＯＡＭビーム５００６の生成のために使用される。空間光変調器５００２は、らせん位相板の位相ステップを用いるのではなく、ラゲールガウスモードを合成する。重ね合わせにおいてグイ位相の数を制限することによって、その伝搬についてよく特性化されたＳＬＭ  ５００２から光ビームを発生させることができる。これらのＳＬＭからの非整数ＯＡＭ光ビームは、構造安定性のために、非整数ＯＡＭ状態を用いた通信に理想的である。付加的に、本明細書で下記に説明されるように、ビームは様々な有機物質の濃度測定に有用である。
【０１２７】
空間光変調器５００２を用いて、非整数ＯＡＭを有する光ビームを、異なる値のｍを有する光モードの一般的重ね合わせとして発生させることができる。図５１に示されるように、様々なラゲール−ガウスビームモード５１０２に、空間光変調器５００２によって重ね合わせプロセス５１０４を適用し、非整数ビーム出力５１０６を生成することができる。光学と量子論との対応を用いることで、ＯＡＭを量子状態として表すことができる。概して図５２に示されるように、この量子状態５２０２は、整数ＯＡＭ状態５２０４の基底に分解することができる。分解によりＯＡＭ指数ｍのみが決まるが、ＬＧビームの重ね合わせにおいて同心リングの数の指数は不特定のままである。したがって、伝搬安定性を増大するために、この柔軟性を利用して、最小数のグイ位相を有する重ね合わされたＬＧビームに関する非整数ＯＡＭ状態の表現を見出すことができる。これらのビームを、空間光変調器５００２を用いて発生させ、それらの伝搬及び渦構造を研究することができる。この態様で構成された光ビームでは、非整数ＯＡＭ状態が良好に実現され、伝搬及びらせん位相板の非整数面のステップからの光の発生の際により安定している。
【０１２８】
ここで図５３を参照すると、非整数ＯＡＭビームを得るために、ＳＬＭをプログラム化することができる態様が示される。各ラゲールガウスモードを別個に生成する複数の光学素子を使用するのではなく、重ね合わせを生成するように位相構造５３０６及び強度構造５３０８を設定するホログラム５３０４により、単一のＳＬＭ  ５３０２をプログラムすることができる。一次非整数オーダーを角度分離するために、ブレーズド回折格子５３１０もホログラム５３０４に含まれる。ホログラム５３０４及び直線座標Ф（ｘ，ｙ）ホロの得られる位相分布についての式は、以下によって与えられる：
【数３６】
2019510202.tif 000038
【０１２９】
この方程式において、Ф（ｘ，ｙ）ビームは、ｚ＝０についてのビームウエストでの重ね合わせの位相プロファイルであり、Ф（ｘ，Λ）回折格子は、回折格子の周期Λに依存するブレーズド回折格子の位相プロファイルである。２つの位相分布をモジューロ２πに加算し、πを減算した後、強度マスクを乗算する。低強度の領域では、強度マスクがブレーズド回折格子５３１０の効果を低減し、これにより一次回折オーダーの強度が低減する。位相深さと所望の強度との間のマッピングは線形ではなく、三角ｓｉｎｃ関数によって与えられる。
【０１３０】
ここで図５４及び図５５を参照すると、非整数ＯＡＭビームを発生させるホログラムを生成するために必要とされる工程が示される。初めに工程５５０２で、ブレーズド回折格子５４０２を表す搬送波位相を、重ね合わせモジューロ２πの位相５４０４に加算する。この複合位相５４０６に、工程５５０４で位相深さと回折強度３０１０との間の正確なマッピングを考慮した強度マスク５４０８を乗算する。工程５５０６で得られるホログラム５４１２は、所望の非整数ＯＡＭビームに必要とされる位相及び強度プロファイルを有するホログラムである。
【０１３１】
ここで図５６を参照すると、１０モード及びＭ＝６．５の重ね合わせについての伝搬時の強度プロファイル及び位相プロファイルが示される。強度プロファイル及び位相プロファイル５６０２、５６０４及び５６０６は、３つの異なる伝搬距離ｚ＝０、ｚ＝２ｚＲ及びｚ＝４ｚＲについての一連の数値プロットを示し、ウエスト面から遠距離場への伝搬時の位相及び強度の変化を示す。様々な断面を、各々のｚの値について±３ｗ（ｚ）の範囲にわたってプロットする。プロファイル５６０８、５６１０及び５６１２は、対応する実験的プロファイルを示す。
【０１３２】
非整数ＯＡＭビームの使用は、多数の方法で利用することができる。一実施形態では、図５７に示されるように、非整数ＯＡＭビームを非整数ＯＡＭビームジェネレータ５７０２から生成することができる。次いで、これらの非整数ＯＡＭビームが本明細書で上記に論考されるものと同様の態様で試料５７０４に通して示される。次いで、ＯＡＭ分光法検出回路構成５７０６を使用して、試料５７０４を通して照射されるＯＡＭビームによって生じる或る特定のＯＡＭ非整数状態プロファイルを検出することができる。特定のＯＡＭ非整数状態は、試料５７０４によって生じる特定の非整数ＯＡＭ状態特徴を有する。このプロセスは、本明細書で上記に説明されるものと同じ態様で奏功する。
【０１３３】
図５８には、試料中の特定の物質を特定するために用いることができるＯＡＭ状態プロファイルの一例が示される。この場合、最大数のＯＡＭ状態はＬ＝３で示される。付加的な状態レベルもＬ＝１．５；Ｌ＝２．７５；Ｌ＝３．５及びＬ＝４で示される。この具体的なＯＡＭ状態プロファイルは、ある特定の物質に固有的に関連付けられ、そのプロファイルが検出された場合に試料中の物質を特定するために使用することができる。ラゲールガウス光ビームとグルコース及びβアミロイドとの相互作用は、試料タイプに対するＯＡＭの初期の分光法用途であった。
【０１３４】
光ファイバにおける音響モードと光子モードとの間のＯＡＭの伝達、ＯＡＭを有するラマンサイドバンドの生成、プラズモンレンズを用いたＯＡＭ、４波混合を用いた励起子における光学的にコヒーレントなＯＡＭの研究、パターン化金属薄膜におけるＯＡＭ光に対する２Ｄプラズモンアナログ(plasmonic analog)を作り出すための直線偏光の適用、及び、効率的な半導体のためにスピン偏極光電子を発生するＯＡＭ光の可能性が、他の考え得る分光法用途である。
【０１３５】
ＯＡＭ状態プロファイルを生成及び検出する他の手段も利用することができる。例えばポンプ−プローブ磁気軌道アプローチを用いることができる。この実施形態では、ラゲール−ガウス光ポンプパルスにより軌道角運動量を物質の電子状態に付与し、その後の動力学をフェムト秒の時間分解能で研究する。励起には角運動量をスポットサイズによって決まる巨視的領域に分布させる渦モードが用いられ、光プローブにより試料から反射された渦モードのキラル不均衡が研究される。ポピュレーション及びスピン緩和とは明らかに異なるが、長く持続する時間スケールで展開する過渡信号が存在する。
【０１３６】
［多重パラメータ分光法］
ＯＡＭ分光法の更なる用途は、より決定的な分析を得るために多数の異なるタイプの分光法を用いて要素を特定することによって更に改良することができる。ここで図５９を参照すると、概して、多重パラメータ分光法システム５９００が示される。複数の異なる分光法パラメータ５９０２を個別に追跡し、分析することができる。次いで、パラメータ群を、多重パラメータ分光分析プロセッサ又はシステム５９０４を用いて合わせて分析し、出力５９０６により試料を決定及び特定する。異なる分光学的技法により、光源５９０８、例えばレーザから生成され、試料５９１０を通過した光ビームを受信し、試料中の物質又は物質の濃度が検出される。図５９の光源では単一のレーザ及び光ビームが示されるが、複数の光源により複数の光ビームを供給しても、又は単一の光源を使用して複数の光ビームを供給してもよい。一例では、少量の試料の物理特性及び電子特性をリアルタイムで完全に特性化する単一の光学分光法システムの開発を、光の偏光、波長及び軌道角運動量（ＯＡＭ）を用いて達成することができる。試料の原子構造及び分子構造を特性化するために偏光光源が使用される。光源の波長により、分極率の程度を含む試料の原子及び分子の電子特性が特性化される。光源のＯＡＭ特性が主に分子キラリティを特性化するために用いられるが、かかる新たな技法は、キラル分子又は試料に限定されず、非キラルの分子又は試料にも適用することができる。これら３つの分光法の次元を組み合わせると、物質の組成を特定するプロセスが大幅に改善する。小型のハンドヘルド分光計に組み込むことで、３Ｄ又は多重パラメータ分光法により、有用なリアルタイムの化学情報及び生体情報を含む多数の用途が消費者に可能となる。他のポンプ−プローブ分光技法と組み合わせることで、３Ｄ／多重パラメータ分光法により超高速の高度選択的な分子分光法における新たな可能性が期待される。以下の説明で、多重パラメータ分光法システム５９００において実装することができる多数の異なる分光技法を論考するが、本開示の多重分光分析システムを提供するために他の分光技法を組み合わせることができることを理解されたい。
【０１３７】
［光学分光法］
分光法は、光と様々な物質との相互作用の測定である。光は物質により吸収又は放出され得る。吸収又は放出される光の量を分析することによって、物質の組成及び量を決定することができる。
【０１３８】
光のエネルギーの一部が物質に吸収される。物質と相互作用する所与の波長の光が異なる波長で放出され得る。これは蛍光、発光及びリン光のような現象において起こる。物質に対する光の影響は、光の波長及び強度、並びに分子及び原子との物理的相互作用に依存する。
【０１３９】
電磁スペクトルの光学スペクトル領域における相対測定を行い、分散素子によってスペクトル的に分散した光を用いる分光計の概略図を図６０に示す。特に、デバイス６００２（モノクロメータ、ポリクロメータ又は干渉計等）により、光源６００４から特定の波長が選択される。この単波長の光が試料６００６と相互作用する。検出器６００８を用いて、この相互作用によって生じる光のスペクトルを測定する。検出器６００８がある波長範囲をスイープすることで、得られる光６０１０の吸光度又は強度の変化が測定される。A. Hind, 「Agilent 101: An Introduction to Optical Spectroscopy」、2011. (http://www.agilent.com/labs/features/2011_101_spectroscopy.html」（その全体が参照により本明細書に援用される）において論考されるような、これらの基礎測定に基づく様々な異なる分光学的技法が開発されている。ここで、赤外分光法、ラマン分光法、テラヘルツ分光法、蛍光分光法及び軌道角運動量分光法を含む分子分光技法に注目する。
【０１４０】
［分子分光法］
［赤外分光法］
様々なタイプの分子分光技法を、多重パラメータ分光法システムに用いることもできる。これらの技法としては、赤外分光法等が挙げられる。
【０１４１】
赤外周波数は、図６１に示すように電磁スペクトルの可視領域とマイクロ波領域との間に生じる。ヘルツ（Ｈｚ）で測定される周波数νと、通例センチメートル（ｃｍ）で測定される波長λ  ６１０２とは、以下の方程式に従って反比例する：
【数３７】
2019510202.tif 000039
ここで、ｃは光速（３×１０１０ｃｍ／秒）である。
【０１４２】
光のエネルギーは、以下によってλ及びνに関係付けられる：
【数３８】
2019510202.tif 000040
ここで、ｈはプランク定数（ｈ＝６．６×１０−３４Ｊ・ｓ）である。
【０１４３】
赤外（ＩＲ）スペクトル６１０４は近赤外、中赤外及び遠赤外の３つの領域に分けられる。中赤外領域は、３×１０−４ｃｍ〜３×１０−３ｃｍの波長を含む。
【０１４４】
赤外分光法の過程ではＩＲ放射は有機分子に吸収される。赤外線エネルギーが特定の分子振動モードのエネルギーと整合すると分子振動が生じる。これらの周波数で光子が物質に吸収されるが、他の周波数の光子は物質を通って伝達される。
【０１４５】
種々の物質のＩＲスペクトルは通例、固有の透過率Ｔ、ピーク及び吸光度トラフ値（troughs）（図６２に示す水蒸気の測定ＩＲスペクトルのような様々な周波数で生じる）を含む。
【０１４６】
吸光度Ａは、以下によって透過率に関係付けられる：
【数３９】
2019510202.tif 000041
各々の物質が、その固有分子振動モードによって決まる固有の赤外スペクトルフィンガープリント又はシグネチャを示し、ＩＲ分光法による物質の組成の特定が可能になる。例えば、水蒸気の場合（図６２）、水分子は２つの狭い赤外波長帯内のエネルギーを吸収し、これが吸光度トラフ値６２０２として現れる。
【０１４７】
［分子振動］
ここで図６３を参照すると、水分子は、伸縮及び曲げの２つのタイプの分子振動を示す。ｎ個の原子６３０８からなる分子６３０２は、３ｎの自由度を有する。水のような非直線状分子では、これらの自由度のうち３つが回転であり、３つが平行移動であり、残りが基本振動に相当する。直線状分子６３０２では、２つの自由度が回転であり、３つが平行移動である。したがって、非直線状分子及び直線状分子についての基本振動の正味の数は、それぞれ３ｎ−６及び３ｎ−５である。
【０１４８】
水蒸気については、それぞれ水蒸気の２つの伸縮振動モード６３０４及びその曲げモード６３０６の結果として、およそ２．７μｍ及び６．３μｍで生じる２つの強い吸光度トラフ値６２０２（図６２）が見られる。特に、対称伸縮モード及び非対称伸縮モード６３０４は、互いに極めて近い周波数（それぞれ、２．７３４μｍ及び２．６６２μｍ）で吸収し、図６２において、複数のトラフ値６２０２の間の単一の比較的広い吸光帯として現れる。
【０１４９】
二酸化炭素ＣＯ２は、２つのはさみ振動及び曲げ振動６４０２、６４０４（図６４。これらは同等であり、したがって同じ縮退周波数を有する）を示す。この縮退は、図６５の赤外スペクトルにλ＝１５μｍで現れる。ＣＯ２の対称伸縮振動モード６４０４は、その分子の双極子モーメントを摂動しないことから、赤外で不活性である。しかしながら、ＣＯ２の非対称伸縮振動モード６４０２は、分子の双極子モーメントを摂動し、図６５に示すようにＣＯ２において４．３μｍで吸光度を生じる。
【０１５０】
分子の分子伸縮及び曲げ振動モード（図６３及び図６４）はどちらも、単純な古典的力学モデルを用いて有用な理論的近似まで予測することができる。
【０１５１】
［伸縮振動］
分子結合の伸縮周波数は、ばねによって結合した２つの等しい質量からなる単純な古典的調和振動子として扱うことで、以下のようにフックの法則により近似することができる：
【数４０】
2019510202.tif 000042
ここで、ｋはばねの力定数であり、ｍは原子の質量である。
【０１５２】
古典的調和振動子では、エネルギーは、以下のようにばねが伸張又は圧縮される程度に応じて異なる：
【数４１】
2019510202.tif 000043
ここで、ｘはばねの変位である。しかしながら、フックの法則の古典的モデルは、任意の周波数のエネルギーが吸収されることが示唆されるために、分子によるエネルギーの吸光度と矛盾する。実際の分子では、振動運動は、以下のように量子力学的表現によって量子化され、適切にモデル化される：
【数４２】
2019510202.tif 000044
ここで、ｎは各々の許容エネルギー準位に特徴的な主量子数（ｎ＝０、１、２、３．．．）である。
【０１５３】
最低エネルギー準位はＥ０＝１／２ｈν、続いてＥ１＝３／２ｈνである。選択規則により、次のエネルギー準位への遷移のみが許容される。続いて、分子はｈνの整数増分で光子エネルギーを吸収する。しかしながら、２ｈν又は３ｈνの光子吸収エネルギーについては、得られる吸光帯は、赤外スペクトルの倍音（overtones）と呼ばれ、基本振動帯よりも強度が低い。
【０１５４】
分子内の原子結合は、極端に伸張した場合に壊れる可能性があり、或る特定の点を越えて圧縮することはできない。そのため、分子は実際には非調和振動子である。原子間距離の関数としての非調和振動子のエネルギーを図６６に示し、エネルギー最小は、通常の結合長６６０２（弛緩した古典的機械ばねに等しい）で生じる。原子間距離が増大するにつれ、量子化エネルギー準位６６０４がより密集し、エネルギーが最大に達する。許容される遷移ｈνは小さくなり、図６７に図示される単純調和振動子理論を用いて予測されるよりも低い倍音エネルギーをもたらす。
【０１５５】
この数学的フレームワークは、単純でないにせよ有用な近似であるが、大きな分子における２つの原子間の振動活動は、分子内の他の原子の振動挙動とは切り離すことはできない。分子内の２つの結合の振動は、一方が収縮又は拡張し、他方が非対称伸縮振動又は対称伸縮振動のように収縮する態様で連結し得る。これが起こると、重ね合わされた又は縮退した帯（結合中の同種の原子２つが同一の力定数で振動する場合に観察されるようなもの）ではなく、異なる吸光周波数帯が観測される。
【０１５６】
物質種をそれらの固有の振動及び回転光学シグネチャによって特定するために赤外分光法が用いられる。相補的な分光技法であるラマン分光法が、次章で論考されるように物質をそれらの固有の光散乱シグネチャによって特定するために用いられる。
【０１５７】
［ラマン分光法］
ラマン分光法は、散乱する光の量によって物質を特性化するために用いられる技法である。ラマン分光法は、代わりに物質に吸収される光の量を測定する赤外分光法を補完する。ラマン分光法及び赤外分光法は、分析結果を更に改善するために、ＯＡＭ及び偏光分光法と更に併用することができる。光が物質と相互作用する場合、その分子の双極子モーメントの変化が赤外吸収帯をもたらし、それらの分極率の変化によりラマン帯が発生する。観察されるエネルギー帯のシーケンスは、各分子タイプを示す固有分光シグネチャを集団として生じる特定の分子振動から生じる。ラマン分光法において生じる或る特定の振動モードは、赤外分光法では禁制であるが、他の振動モードは、両方の技法又はＯＡＭを用いる多重パラメータ技法を用いて観察することができる。これらの後者のモードが両技法に共通する場合、それらの強度は顕著に異なる。
【０１５８】
最もよく見られる光子と分子との相互作用は、励起された電子が元のエネルギー準位に落下する結果として光子が弾性散乱する、レイリー散乱をもたらす。その結果として、レイリー散乱された光子は入射光子と同じエネルギーを有する。
【０１５９】
C. V. Raman及びK.S. Krishnanによる１９２８年の非弾性光子散乱現象の発見により、ラマン分光法が固体、液体及び気体の試料を含む広範な化学種の特性化に有用な実用的な化学分析法として確立された。固体結晶格子振動は通例、ラマン分光法において活性であり、それらのスペクトルはポリマー及び半導体試料中で現れる。気体試料は、振動遷移によって特徴付けることができる回転構造を示す。
【０１６０】
入射光子のおよそ１パーセントが非弾性的に散乱し、より低エネルギーの光子を生じる。ラマン散乱は分子の振動エネルギー、回転エネルギー又は電子エネルギーの変化によって生じる。散乱する分子の振動エネルギーは、入射光子とラマン散乱される光子との差異に等しい。入射光子が分子の電気双極子と相互作用する場合、この形態のバイブロニック分光法は、古典的に分子の電場の摂動とみなされることが多い。しかしながら、量子力学的には、散乱事象は、実際の電子遷移よりも低エネルギーの仮想エネルギー状態への励起と、ほぼ同時の準位落下及び振動エネルギーの変化として記述される。かかる分光法は、ＯＡＭを有する入射光子と併せて奏功し得る。ラマン分光法では、入射光子は、電子をその元のエネルギー準位とは異なる最終エネルギー準位へと励起する（図６８）。
【０１６１】
ラマン散乱の強度は低いため、振動エネルギーの散逸によって発生する熱は、感知され得る物質温度の上昇を生じない。かかるラマン分光法は、ＯＡＭを有する入射光子と併せて奏功し得る。室温では、振動励起状態のポピュレーションは小さい。室温では励起される振動状態が低く、電子が基底状態に生じることから、ラマン分光法において、通例、図６８に示すストークスシフト散乱事象が観察される。電子が元の基底状態６８０８よりも高いエネルギー準位６８０６へと崩壊することから、非弾性ラマン散乱光子６８０２は入射光子６８０４よりも低いエネルギーを有する。アンチストークスシフト散乱事象６８１０は、最初に振動励起状態にある分子のごく一部によって生じ（図６８）、それらを基底状態６８１２に置き、より高エネルギーのラマン散乱光子を生じる。室温では、ストークススペクトル及びアンチストークススペクトルが同じ周波数情報を有するので、アンチストークスシフトラマンスペクトルは、ストークスシフトスペクトルよりも常に弱い。このため、殆どのラマン分光法は、ストークスシフト散乱現象のみに焦点を合わせている。
【０１６２】
振動モードエネルギーをモデル化することができる力定数は、原子質量、分子種、結合次数、及び分子の幾何学的配置を含む分子構造によって影響を受け得る。しかしながら、分子の分極率が影響を受け得る場合にラマン散乱が生じる。
【０１６３】
分子の分極率αは、以下のように電場と誘起双極子モーメントとの間の比例定数として現れる：
【数４３】
2019510202.tif 000045
【０１６４】
誘起双極子は、入射光子の周波数で光子を散乱する（レイリー散乱）。しかしながら、分子振動は分極率を変化させ、光子の非弾性ラマン散乱を生じさせる可能性がある。分極率の変化は、以下によって表すことができる：
【数４４】
2019510202.tif 000046
ここで、Ｑは振動に垂直な方向であり、ラマン活性振動の選択規則とみなされる。
【０１６５】
ラマン活性振動は、対称中心を有する分子について赤外には存在せず、摂動された対称中心（例えば、永久双極子モーメント）の存在により赤外活性振動の非存在が示される。
【０１６６】
ラマン帯の強度は、以下のように、誘起双極子モーメント又は分極率の空間的変化の２乗に比例する：
【数４５】
2019510202.tif 000047
したがって、双極子モーメントを僅かに誘起する入射光子は、非常に小さな強度を有するラマン帯をもたらす。より強いラマン散乱系は、分極(polarization)の影響を受けやすい、より広く分布した電子を示す二重炭素結合を有する分子のように、より高いαの値を有するものである。続いて、ラマン分光法によって測定可能な化学濃度の範囲は、散乱強度が濃度に正比例すると仮定すると、大幅に広い。
【０１６７】
ラマン分光法は、他の分光技法に優る幾つかの利点を示す。ラマン帯は、その基本振動モードの検出のために良好な信号対ノイズ比を示す。したがって、測定される試料のラマンシグネチャは通例、より顕著かつ決定的である。
【０１６８】
水のラマンスペクトルが弱く、目立たない一方で、水の赤外スペクトルは非常に強く、より複雑であることから、水溶液の分析には、ラマン分光法が赤外分光法よりも有用である。有機化学及び無機化学においては、共有結合の存在が固有ラマンシグネチャをもたらす。ラマン分光法セットアップには、物質に入射する適切なレーザ光源と、綿密な試料調製の必要性を最小限にする散乱光子を収集する検出器とのみが必要とされる。ラマン分光法は、単に物質にレーザを当てるに過ぎないことから非破壊的である。ラマン効果は弱いため、ごく僅かな分子濃度の測定を最短時間でもたらすためには、ラマン分光法機器の効率及び最適化が極めて重要である。
【０１６９】
［自発ラマン分光法］
自発ラマン散乱の強度は、光の入射強度に線形従属するが、桁違いに弱い。光−物質相互作用を量子力学的に扱うことで、全ハミルトニアンを、分子の振動モードＨ＿ν、光の振動モードＨ＿γ、及びそれらの相互作用Ｈ＿νγに関連するエネルギーに関して、表すことができる：
【数４６】
2019510202.tif 000048
このフレームワークでは、振動周波数ω＿０及び正常モード振幅ｑ（分子振動の生成消滅演算子に関して表すことができる）を用いて、
【数４７】
2019510202.tif 000049
となり、電気双極子モーメントμを用いて、
【数４８】
2019510202.tif 000050
となる。これにより、
【数４９】
2019510202.tif 000051
が得られる。
【０１７０】
光の生成消滅演算子ａ＾†及びａを用いることで、以下のように場の量子化が得られる：
【数５０】
2019510202.tif 000052
ここで、ｅ＿（ｋ＿λ）は場の偏光単位ベクトル場であり、Ｖ＿ｉｎｔは相互作用体積である。この場合、光のハミルトニアンは、以下となる：
【数５１】
2019510202.tif 000053
電気双極子近似の一次摂動を用いることで、相互作用ハミルトニアンを、以下のように局所座標系ｑにおける分子の分極率αに関して得ることができる：
【数５２】
2019510202.tif 000054
初項によりレイリー散乱が特性化される。残りの一次ラマン散乱項は、それぞれストークス場及びアンチストークス場“Ｅ”＿Ｓ及び“Ｅ”＿ＡＳに加えてコヒーレントレーザ場“Ｅ”＿Ｌを含む自発ラマン散乱を特性化するために必要とされる。ｑ及びＥ＿γをこの式に代入することで、以下が得られる：
【数５３】
2019510202.tif 000055
ここで、Ｈ＿γＳ及びＨ＿γＡＳは、それぞれストークス及びアンチストークス分岐の相互作用ハミルトニアンである。
【０１７１】
初期状態｜ｉ〉と最終状態｜ｆ〉との定常状態遷移速度は、以下のようにフェルミの黄金律に従って与えられる：
【数５４】
2019510202.tif 000056
単純な調和振動子の描写では、励起量子ｎ＿νによる固有状態｜ｎ＿ν〉は、生成消滅演算子によって作用され、以下のようにストークス及びアンチストークス遷移速度が得られる：
【数５５】
2019510202.tif 000057
したがって、線形従属を仮定すると、ｎ＿νをラマン信号強度から決定することは容易である。
【０１７２】
各振動準位からのラマン強度を用いて固有振動分子モードを特定し、物質の組成を特性化する。
【０１７３】
ラマンモードの積分されたアンチストークス強度は、モードの平均振動量子数〈ｎ＿ν〉に以下のように比例する：
【数５６】
2019510202.tif 000058
ここで、Ａはラマン断面積である。ボルツマン分布を用いることに加え、Ｉ＿ＡＳを同じモードの室温ストークス信号に関して正規化すると、以下のようになる：
【数５７】
2019510202.tif 000059
ここで、Ｅ＿Ｒ＾０はラマンモードの室温（Ｔ＿０）エネルギーである。概して、ｈν＿Ｒ≫ｋＴ＿０である。そのため、〈ｎ＿ν〉＿０＝０であり、正規化アンチストークス信号は、およそ〈ｎ＿ν〉であり、
【数５８】
2019510202.tif 000060
である。
異なる振動モードと関連する正規化散乱強度を比較することによって、赤外励起後の異なる分子モードにわたるエネルギーの分布を得ることができる。
【０１７４】
［誘導ラマン分光法］
誘導ラマン強度は、光子の入射強度に非線形的に依存するが、大きさはあまり変わらない。物質の三次非線形偏光の有限応答時間から生じる光学フォノンによる光子の非弾性散乱が、ラマン散乱に特徴的である。光学物質中を伝搬する単色光が、幾つかの光子が新たな周波数に遷移する自発ラマン散乱をもたらす。散乱光子の偏光は、ポンプビームが直線偏光している場合に平行又は直交であり得る。シフトされた周波数での光子の散乱強度が、これらのシフトされた周波数に既に存在する既存の光子によって増強される場合に、誘導ラマン散乱が生じる。その結果として、誘導ラマン散乱では、ダウンシフト周波数での同時光子は、例えばラマンアンプにおいて利用するか、又は分子分光法において有効に用いることができる利得を得る。
【０１７５】
誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）がガラスファイバにおいて観察され、ラマン利得がシングルモードファイバにおいて測定されている。ラマン増幅は、十分に高出力のポンプレーザの入手可能性とともに成熟技術となった。
【０１７６】
古典的電磁フレームワークにおいては、誘導ラマン散乱信号強度は、ポンプ強度及び信号強度：
【数５９】
2019510202.tif 000061
並びに自発ラマン散乱断面積に関するラマン利得係数ｇ＿Ｒに比例して増大する。したがって、ラマン散乱の確率は、ポンプ波の光子密度及びラマン断面積に直接的に関係する。
【０１７７】
ストークス波及びポンプ波は空間的及び時間的に重なり、誘導放出を生じるはずである。ラマン過程は物質中の分子の振動モードを伴うため、その強度スペクトルにより物質の組成が決まる。例えば、非晶質の物質中では、振動エネルギー準位が融合して帯を形成する傾向があり、ポンプ周波数は広範囲にわたってストークス周波数と異なる可能性がある。しかしながら、結晶質の物質では、強度ピークは狭い帯幅を有することから、十分に分離される傾向がある。
【０１７８】
前方ラマン散乱の結合波動方程式としては、ストークス減衰係数α＿Ｓを用いたストークス強度について、
【数６０】
2019510202.tif 000062
ポンプ波強度について、
【数６１】
2019510202.tif 000063
（ここで、ω＿Ｐ及びω＿Ｓは、それぞれポンプ周波数及びストークス周波数である）が挙げられる。後方散乱については、ｄＩ＿Ｓ／ｄｚ→−ｄＩ＿Ｓ／ｄｚである。損失がない場合には、これらの式は、
【数６２】
2019510202.tif 000064
に縮小され、誘導ラマン散乱過程中のストークス波及びポンプ波における光子数の保存が具体化される。
【０１７９】
誘導利得が、線形損失（誘導ラマン散乱を開始するために克服しなければならない閾値出力の原因となる）を超える場合に、誘導散乱強度が増大する。前方散乱及び後方散乱が生じる物質系では、散乱波振幅の増大に関与する分子振動が、ビート周波数により推進される。次に、波振幅の増大により、誘導ラマン散乱効果をもたらす正のフィードバックループの一環として分子振動が増強する。前方散乱過程については、ポンプ減衰項を除去すると、以下のようになる：
【数６３】
2019510202.tif 000065
【０１８０】
この方程式を解くことで、Ｉ＿Ｐ（ｚ）＝Ｉ＿０  ｅ＾（−α＿Ｐ  ｚ）が得られ、誘導ストークス散乱強度
【数６４】
2019510202.tif 000066
が与えられ、ここで実効光路長が以下によって与えられる：
【数６５】
2019510202.tif 000067
誘導ラマン散乱は、物質の光路長全体にわたって生じる散乱事象によって増強され、分子分光法技術に有用である。
【０１８１】
［共鳴ラマン分光法］
古典的ラマン分光法におけるラマン効果は、入射光の周波数のみに依存し、先に論考したように散乱強度はν＿０＾４に依存する。分子吸収遷移の振動モードが入射光のエネルギーと正確に一致する場合、観察される散乱強度は、約ν＿０＾６と同じ強度となる可能性がある。この共鳴ラマン効果により、複雑な物質媒体中の分子種（生体膜に埋め込まれたタンパク質中の発色基等）の高感度の分光学的識別が可能となる。
【０１８２】
共鳴ラマン分光法では、ごく一部の分子振動モードしか増強されない。最も簡単なシナリオでは、ただ１つの電子状態しか共鳴性でない。このケースでは、共鳴性ラマン信号は、共鳴が入射光によって誘導される場合に、分子が基底状態と励起状態との間を遷移する間の、分子の歪みによって生じる核運動の結果である。
【０１８３】
殆どの生体発色基の機能構成要素は、共鳴ラマン分光法が選択的に感受性を示す特定の電子遷移により共役した原子からなる。測定される共鳴ラマン帯の周波数により、共鳴の誘導に用いられる遷移に関与する電子状態の振動構造に関する情報が得られる。散乱強度は、電子遷移によるモード結合の性質に関する情報を与える。
【０１８４】
［渦光（Vortex Light）におけるラマン効果］
周波数ν＿０及び強度Ｉ＿０の平面偏光入射光に供されたバイブロニック状態ｍの分子が、新たなバイブロニック状態ｎへと摂動される。この相互作用により、光の周波数がν＿ｍｎ＝ν＿ｍ−ν＿ｎだけシフトし、立体角４πにかけて周波数ν＿０＋ν＿ｍｎで散乱する。ｍからｎへの遷移時の散乱強度は、
【数６６】
2019510202.tif 000068
によって与えられ、ここで電場の振幅
【数６７】
2019510202.tif 000069
は、
【数６８】
2019510202.tif 000070
によって与えられ、ここで、ｍ、ｒ及びｎは、それぞれ初期、中間及び最終エネルギー状態Ｅ＿ｍ、Ｅ＿ｒ、Ｅ＿ｎの量子数である。
【０１８５】
電場強度
【数６９】
2019510202.tif 000071
の振幅
【数７０】
2019510202.tif 000072
と、シフトした散乱放射により誘導されるトルク（shifted scattered radiation induced torque）に関連付けられたその振幅
【数７１】
2019510202.tif 000073
との間で、
【数７２】
2019510202.tif 000074
は、散乱テンソルＡ＿ｍｎ＝（α_ρσ）＿ｍｎに関して、
【数７３】
2019510202.tif 000075
の形で、又は、成分表現では
【数７４】
2019510202.tif 000076
で、表すことができるテンソル関係式であり、散乱テンソルＡ＿ｍｎは、
【数７５】
2019510202.tif 000077
として表すことができる。
【０１８６】
テンソルＡ＿ｍｎの２項成分（dyadic components）に関して表される
【数７６】
2019510202.tif 000078
はＭ＿ｒｎ  Ｍ＿ｍｒを含むため、ｍからｎへの遷移についての分極率テンソルαの各ρσ番目の行列要素は、以下のように中間的なバイブロニック状態に関して表すことができる：
【数７７】
2019510202.tif 000079
ここで、（Ｍ＿ρ）＿ｍｎは、放射演算子ｍ＾＿ρの存在下での振動準位ｍ及びｎの間の遷移行列であり、
【数７８】
2019510202.tif 000080
【０１８７】
ここで、（Ｍ＿ｌ）＿ｒｎ（Ｍ＿σ）＿ｍｒは、単位ベクトル
【数７９】
2019510202.tif 000081
のスカラーベクトル成分（Ｍ＿ｌ）＿ｒｎ及び（Ｍ＿σ）＿ｍｒの通常の積である。３つの相互に垂直な方向で空間的に固定したｌ，σ＝１，２，３では、以下のようになる：
【数８０】
2019510202.tif 000082
入射強度Ｉ＿０＝（ｃ／２π）Ａ＾２を用いると、
【数８１】
2019510202.tif 000083
【０１８８】
したがって、全散乱強度は、励起光の偏光状態に依存する。
【数８２】
2019510202.tif 000084
の全位置で平均化するか、又は固定入射波方向及び偏光での散乱分子の全モードで平均化することによって、
【数８３】
2019510202.tif 000085
【０１８９】
最後に、１分子当たりのｍ→ｎの電子遷移について、散乱放射の平均全強度は、以下のように得られる：
【数８４】
2019510202.tif 000086
ここで、ρ＝ｘ，ｙ，ｚ及びσ＝ｘ＾’，ｙ＾’，ｚ’は、それぞれ独立して入射光子及び散乱光子の分子の固定座標系である。
【０１９０】
［渦光を用いたラマン効果の選択規則］
近軸近似におけるマクスウェルの方程式の特定の解集合が、渦光を用いたラマン効果の研究にとって興味深い。ラゲール−ガウス関数により、渦光のビームを一般化ラゲール多項式
【数８５】
2019510202.tif 000087
に関してガウス包絡線を用いて数学的に特性化することができる。ローレンツ−ゲージにおいては、ラゲール−ガウスビームのベクトルポテンシャルは、（ρ，φ，ｚ）座標系において、
【数８６】
2019510202.tif 000088
であり、ここでｗ（ｚ）は、ラジアル振幅が１／ｅとなるビームウエスト（半径）である。簡単にするために、ｐ＝０のみが通例選ばれる。双極子近似においては、項ｅ＾ｉｋｚは無視することができ、それによりラゲール−ガウスビームの放射演算子を、以下のように表すことができる：
【数８７】
2019510202.tif 000089
ここで、ｅ＾ｉωｔは光子放出と関連し、ｅ＾（−ｉωｔ）は光子吸収と関連する。
【０１９１】
異なる物質の固有ＯＡＭラマンシグネチャを測定するために一連の選択規則を定める、以下の一般化フレームワークを、誘導ラマン分光法及び自発ラマン分光法の両方と関連付けられた強度プロファイルに適用する。
【０１９２】
Ａ＿（ｌ，ｐ）のゼロになることのない行列要素を確実にするために必要とされるフォノン、入射光子及び散乱光子の既約表現Γ＿α、Γ＿ρ及びΓ＿σにおける関係式は、
【数８８】
2019510202.tif 000090
であり、ｈ＿（ｅ，ｓ）＾ａ、（Ｍ＿ρ）＿（ｇ，ｅ）及び（Ｍ＿σ）＿（ｇ，ｓ）はゼロでない。σ番目のフォノンのｊ番目の分岐を表すために、指数Γ＿ｊ＾σを有するラマンテンソルＰ＿αβγδ（Γ＿ｊ＾σ）を導入し、単一指数ａを置き換えることで、入射光子指数ρを（α，β）、散乱光子指数σを（γ，δ）に同様に置き換える。
【０１９３】
ラマン散乱過程における光と物質との相互作用では光子の軌道角運動量は非摂動のままであるため、入射光子及び散乱光子を以下のそれぞれの形で表すことができる：
【数８９】
2019510202.tif 000091
次に、３つ全ての表現についてＰ＿αβγδ（Γ＿ｊ＾σ）をクレブシュ−ゴルダン係数によって決定することができる：
【数９０】
2019510202.tif 000092
【０１９４】
結晶性の物質については、前方散乱の特別な場合に３×３のラマンテンソルが２×２に減少する。この場合、ｌ≧２の励起についてのラマンテンソルは全て同じ形である。そのため、対称性考慮により、ｌ依存性はｌ≧２についてゼロになる。定数ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅがｌ及び結晶の対称性に依存するため、ゼロでないＯＡＭによりｌ≧２の光子励起についてΓ２フォノンが得られ、ｌ≧１の光子励起についてΓ３フォノンの２つのラマンテンソルが分離する。
【０１９５】
ＯＡＭラマン分光法は、結晶性の物質の原子及び分子の組成を特性化する能力を示す。自身の固有な原子対称性及び分子対称性を示すキラル物質のＯＡＭラマンシグネチャを完全に得るためには、より複雑な選択規則が必要とされる。
【０１９６】
例えば、高対称性の結晶性物質の場合では、このアプローチは幾らか簡単である。周期格子ポテンシャルを考えると、結晶固体中の電子はブロッホ波として、
【数９１】
2019510202.tif 000093
のように表すことができ、基底状態ψ＿（ｇ，ｋ）と励起状態ψ＿（ｅ，ｋ）とを関連付ける電子遷移モーメントは、以下のように表すことができる：
【数９２】
2019510202.tif 000094
この場合、ｌ＝０による一次テイラー展開は、
【数９３】
2019510202.tif 000095
【０１９７】
ｈ＿（ｅ，Ｓ）＾α、Ｑ＿α及びΔＥ＿ｅｓが結晶の特性のみに依存し、ｌには依存しないため、渦光を用いる場合にはＭのみが散乱強度に影響を与える。続いて、電子波動関数及びｌは、結晶固体との渦光の相互作用によるラマン効果についてのＭ（ｌ＝０）に関してΜ（ｌ≠０）の相対値として残る。
【０１９８】
ラマン散乱強度増大は、例えば閃亜鉛鉱結晶の場合のように適切なｌの値を選択することによって特定することができ、上記に提示したアプローチを用いた対称性考慮に基づくｌ＝３０についての最大値が報告されている。実際には、渦光を発生させるレーザの集束は、通常のラマン散乱測定における集束光へのその類似性を考えると、Ｍの強度増大に殆ど影響を及ぼさない。
【０１９９】
［偏光ラマン分光法］
分子の分極率が試料中の分子の分布に関して空間的に異なると仮定すると、平面偏光ラマン源を用いて、結晶の原子構造、並びに、高分子フィルム、結晶及び液晶の分子構造を特性化することができる。
【０２００】
ここで図６９を参照すると、偏光ラマン法は、レーザ光源６９０２の偏光状態に対して平行（‖）又は垂直（⊥）のいずれかに配向した、試料６９０４と分光計６９０８との間の偏光子６９０６を含む。同様に、試料に入射する偏光の適切な状態を選択するために、偏光光学系６９１０をレーザ６９０２と試料６９０４との間に挿入してもよい。
【０２０１】
分子における結合振動の対称特性は、偏光ラマン分光法によって特定の強度ピークの偏光減少度ρを評価することで以下のように特性化される：
【数９４】
2019510202.tif 000096
ここで、Ｉ＿⊥及びＩ＿‖は、レーザ光源６９０２の偏光状態に対してそれぞれ垂直及び平行の偏光を有するラマンスペクトル帯強度である。
【０２０２】
図７０に示すように、偏光ラマン分光法７００２によって得られる情報は、非偏光ラマン分光法７００４によって得られる原子及び分子の情報を補足するために用いることができる。偏光ラマン効果及び非偏光ラマン効果の両方を活用する単一積分分光法ユニット７００６は、複数のタイプの分光分析を用いた試料からのデータを分光学的に処理することによって得られる情報の全体的な品質及び量を改善する統合結果処理７００８を用いる。
【０２０３】
［光渦を用いたラマン分光法］
典型的なラマン源は、ｚ方向に流れる電場
【数９５】
2019510202.tif 000097
を有する基本モードで動作するガウスレーザであり、ここで、
【数９６】
2019510202.tif 000098
は偏光ベクトルである。かかる光源によって発生する光は、ｚ方向に電場成分を有しない横断（ｘ，ｙ）面に限定される直線偏光又は円偏光を有する。対象の誘起双極子モーメントは、この場合Ｐｘ及びＰｙのみである。
【０２０４】
分子に入射するｚ方向に沿った縦モードでは、Ｐ＿ｚを含む分子の分極率を完全に描写する光が散乱される。ｚ成分を有する電場は、以下のような偏光ベクトルを有するラジアル偏光ビームである：
【数９７】
2019510202.tif 000099
【０２０５】
強く集束した場合に縦成分を有するラジアル偏光場を生成する幾つかの方法が存在する。ラマン分光法では、誘起双極子モーメントＰｚはＥｚの結果である（これまで従来のラマン分光法では観察されていない新たな振動モードを生成するだけでなく、振動モードの強度を増大し得るもの）。図７１に示すように、光渦が与えられたラマンビーム７１０２によって得られた情報は、複合分析７１０８において偏光ラマン分光法７１０４及び非偏光ラマン分光法７１０６と併せて三次的な分光能力を追加する。かかるラマン分光法は、ＯＡＭを搬送する入射光子と併せても奏功し得る。
【０２０６】
［ＴＨｚ分光法］
テラヘルツ分光法は、電磁スペクトルの遠赤外周波数範囲（図６１）において行われ、したがって分子における遠赤外振動モードの特定に有用である。ＴＨｚ分光法は、明るい光源及び高感度の検出器の使用のために、遠赤外分光法よりも高い信号対ノイズ比及び広いダイナミックレンジをもたらすことができる。これにより、ＩＲ分光法では有効でない、一般に生物学的過程及び化学過程において生じる弱い分子間及び分子内振動モードの選択的検出がもたらされる。ＴＨｚ分光法は、ＯＡＭを搬送する入射光子と併せて用いることもできる。テラヘルツ波は、可視及び近赤外スペクトルで不透明な媒質を通過し、水性環境によって強く吸収される（図７２を参照されたい）。
【０２０７】
ＴＨｚ分光法では、適切に高出力の光源がないことが歴史的に障害であった。しかしながら、遠赤外範囲で実用的なＴＨｚ分光法の利用が、ピコ秒及びフェムト秒レーザパルスに基づくＴＨｚ線の生成により可能となった。今日、ＴＨｚ光源は、広範囲の有効出力（ナノワットから１０ワット）を有する短パルスモード（例えば、光伝導アンテナ、光学整流器）又は連続波（ＣＷ）モードを含む。
【０２０８】
幾つかの異なるタイプのＴＨｚ光源が今日、生物学的過程、化学過程及び固体状態過程を調べるために用いられている。１ＴＨｚ〜３．５ＴＨｚ範囲の光源が、例えば生物学及び医学において分子構造変化を調査するために頻繁に用いられている。ＴＨｚ分光法は今日、ラマン分光法と同じくらい頻繁に用いられている。
【０２０９】
［テラヘルツ時間領域分光法］
テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）が、フェムト秒レーザによってもたらされるような単一サイクルＴＨｚパルスのコヒーレント発光を含む、最も広く用いられているＴＨｚ法の１つである。これらのパルスの検出は、約１００ＭＨｚの繰返し数で行われる。
【０２１０】
試料の二次元ＴＨｚ吸収特性がＴＨｚイメージング法によって特性化される。この技法は、ピコ秒パルスに基づくＴＨｚ−ＴＤＳについて設計されたシステム、及びＴＨｚ波パラメトリック振動子、量子カスケードレーザ又は光ポンピングテラヘルツレーザ等の連続波（ＣＷ）光源を利用するシステムにおいて実証されている。ＴＨｚ分光法は、ＯＡＭを搬送する入射光子と併せて用いることができる。
【０２１１】
ＴＨｚパルスイメージングは、０．１ＴＨｚ〜５ＴＨｚで広範な画像周波数情報を与えるが、ＴＨｚ  ＣＷイメージングはリアルタイムで行うことができ、周波数に感受性があり、顕著に高いスペクトルパワー密度のためにより高いダイナミックレンジを有する。パルスＴＨｚイメージング及びＣＷ  ＴＨｚイメージングのどちらにおいても、光源の特徴（コヒーレンス、出力及び安定性）が重要である。ＴＨｚ分光計は、試料を二次元で機械的に走査することができるが、各走査時間は試料サイズに対応する。リアルタイムＴＨｚイメージングは、電気光学結晶又は焦電式カメラから構成されるＴＨｚ波検出器のアレイを用いて行われることが多い。かかるＴＨｚ分光法は、ＯＡＭを搬送する入射光子と併せて用いることができる。
【０２１２】
ＴＨｚイメージングには、１ミリメートル未満の回折限界に関して推定されるような低分解能、及び低感度をもたらすアパーチャを介した低透過率の問題がある。回折限界を超えるためには、サブ波長分解能を達成する近視野顕微鏡法が用いられるが、低透過率が問題として残っている。
【０２１３】
［蛍光分光法］
入射光によって摂動されることで、室温で分子中の電子が電子基底状態の最低振動エネルギー準位７３０２から第１の（Ｓ＿１）振動状態７３０４又は第２の（Ｓ＿２）振動状態７３０６まで励起され（図７３）、幾つかの振動副準位のいずれか１つを占有する可能性がある。各々の振動副準位は、隣接する多くの回転エネルギー準位を有するので、副準位間のエネルギー遷移が殆ど区別不能となるほど接近している。その結果として、殆どの分子化合物が広い吸収スペクトルを有する（ただし、無視できる回転特性を有するもの（平面化合物及び芳香族化合物等）を除く）。
【０２１４】
蛍光分光法では、分子は入射光子からエネルギーを吸収し、励起状態のより高い振動エネルギー副準位（Ｓ＿１又はＳ＿２）を得た後、衝突により過剰な振動エネルギーを失い、励起状態の最低振動副準位に戻る。Ｓ＿２を超える電子状態を占有する殆どの分子が、衝突による準位落下および内部転換を受け、上位の状態の最低振動エネルギー副準位から、同じエネルギーを有するより低い励起状態のより高い振動副準位に至る。電子は、Ｓ＿１の最低振動エネルギー副準位７３０８を占有するまでエネルギーを失い続ける。基底状態の任意の振動エネルギー副準位までの分子の準位落下は、蛍光光子の発光を引き起こす。
【０２１５】
吸収過程及び発光過程がこのシーケンスとは異なる場合、量子効率は１よりも小さい。最低振動基底状態副準位から最低振動Ｓ＿１副準位７３０８までの「０−０」遷移は、吸収現象及び発光現象の両方に共通するが、他の全ての吸収遷移は、蛍光発光におけるいかなる遷移よりも多くのエネルギーによってのみ生じる。発光スペクトルは続いて、この「０−０」遷移に対応する入射光子周波数で吸収スペクトルと重なり、発光スペクトルの残りはより少ないエネルギーを有し、より低い周波数で同等に生じる。分子と周囲の溶媒分子との相互作用による僅かなエネルギーの損失を考えると、吸収スペクトル及び発光スペクトルにおける「０−０」遷移が厳密に一致することは稀である。
【０２１６】
したがって、Ｓ＿１及びＳ＿２における振動副準位の分布は、入射光子エネルギーが分子の形状に実質的に影響を及ぼさないことから非常によく似ている。発光スペクトルにおける帯間のエネルギー差は吸収スペクトルと同様であり、発光スペクトルが殆ど吸収スペクトルの鏡像であることが多い。蛍光光子の発光は常にＳ＿１の最低振動エネルギー副準位から生じるので、入射光子周波数が入射放射線の周波数からシフトするにも関わらず、発光スペクトルの形状は常に同じである。周波数がシフトしても励起を生じる入射放射線の強度が一定のままである場合、発光スペクトルは補正された励起スペクトルであると考えられる。
【０２１７】
殆どの複合分子の量子効率は入射光子の周波数とは独立しており、発光は化合物の分子吸光係数と直接的に相関する。言い換えると、物質の補正された励起スペクトルはその吸収スペクトルと同じとなる。蛍光発光の強度は、入射放射線強度に正比例する。
【０２１８】
蛍光分光法は、発光スペクトル及び励起スペクトルを生じる。発光透視法（emission fluoroscopy）では、励起用放射が固定波長に保持され、放出蛍光強度が発光波長の関数として測定される。励起透視法では、発光波長が固定して保持され、蛍光強度が励起用波長の関数として測定される。このタイプの蛍光分光法を、ＯＡＭを搬送する入射光子と併せて用いることもできる。発光スペクトル及び励起スペクトルを合わせることで、取り調べ対象の物質のスペクトルマップが得られる。対象の物質が多くの蛍光体を含有する場合もあり、吸収スペクトル及び発光スペクトル（トリプトファン、エラスチン、コラーゲン、ニコチンアミド、アデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）及びフラビンのもの）について図７４Ａ及び図７４Ｂに示すように、異なる分子を調べるために異なる励起用波長が必要とされる。
【０２１９】
蛍光分光計では、連続可変干渉フィルタ又はモノクロメータのいずれかを用いて、試料から放出された光のスペクトル分布（蛍光発光スペクトル）が分析される。より洗練された分光計に使用されるモノクロメータでは、励起用放射が選択され、試料の発光スペクトルが分析される。かかる機器では、励起用波長（蛍光励起用スペクトル）により発光強度の変動を測定することも可能である。
【０２２０】
同等の吸収法と比較した蛍光分光法の利点の１つは、キュベットの僅かな中央領域のみが検出器により調べられる単純な蛍光光度計の幾何学的構成のために、精度を相当に損失することなしに、試料を精密キュベットではなく単純な試験管に入れることができることである。したがって、キュベットの全体サイズはそれほど重要でない。
【０２２１】
蛍光分光法の感度は、測定される試料の特性に大きく左右され、通例、殆どの物質について十億分率又は一兆分率で測定される。この著しい感度により、非常に小さな試料サイズの蛍光物質（例えば、クロロフィル及び芳香族炭化水素）の信頼性の高い検出が可能となる。
【０２２２】
光を吸収又は放出する（蛍光を発する）物質はほとんどなく、標的物質中の化合物と同じ周波数で放出することが殆どないことから、蛍光分光法は極めて特異的であり、干渉の影響が少ない。
【０２２３】
蛍光測定は、広い周波数範囲にわたる試料濃度に直接対応し、試料の希釈又は試料セルの変更なしに、最大約６桁（one six orders of magnitude）の濃度範囲にわたって行うことができる。付加的に、透視法の感度及び特異性により、コスト及び時間のかかる試料調製手順の必要性が低減又は排除されるため、分析が迅速化される。全体として、透視法は、その高い感度（小さな試料サイズ要件）のために低コストの物質特定法である。
【０２２４】
［ポンプ−プローブ分光法］
ポンプ−プローブ分光法は超高速現象を研究するために用いられ、ポンプビームパルスが試料の原子及び分子構成要素を摂動し、プローブビームパルスを用いて、調整可能な時間後に摂動された試料を調べる。この光学技法は一種の過渡分光法であり、光化学的又は光物理的に関連した分子の一時的な過渡状態の電子特性及び構造特性を調査することができる。生じる励起状態は、プローブビームに関係した特性（反射性、吸収、発光及びラマン散乱特性を含む）をモニタリングすることによって検査される。フェムト秒〜ピコ秒の時間枠で生じる電子変化及び構造変化を、この技法を用いて研究することができる。
【０２２５】
概して、ポンプ誘導状態は、分子の、より高エネルギーの形態である。これらのより高エネルギーの分子形態は、電子及び／又は核の再分配を含め、最低基底状態エネルギー状態とは異なる。
【０２２６】
基本ポンププローブ構成を図７５に概略的に示す。レーザ７５０２によって生成するパルストレインは、ビームスプリッタ７５０４を用いてポンプパルス７５０６とプローブパルス７５０８とに分割される。ポンプパルス７５０６は、試料７５１０中の原子及び分子と相互作用する。プローブパルス７５０８は、短時間（パルストレインとプローブパルストレインとの間）後に試料中に生じる変化をプローブするために用いられる。光学的遅延ラインによりパルストレイン間の遅延時間を変化させることによって、プローブビームの吸収スペクトル、反射性、ラマン散乱及び発光を、試料のポンプパルストレインによって生じる変化を検出器７５１２で研究することで取得することができる。プローブトレイン７５０８を相対時間遅延の関数としてモニタリングすることによって、ポンプ誘導励起の準位落下に関する情報を得ることが可能である。プローブトレイン７５０８は通例、多くのパルスで平均化され、高速光検出器７５１２は必要とされない。ポンプ−プローブ分光法における測定の時間分解能は、各トレインのパルス幅によってのみ制限される。概して、タイミングの不確実性は、ポンプトレインによって誘導される構造又は電子的過程の時間スケールよりも小さくする必要がある。
【０２２７】
２色ポンプ−プローブ分光法では、ポンプビーム７５０６及びプローブビーム７５０８は、同期した２つの光源によって発生する、互いに異なる波長を有する。この技法は超高速分光法において付加的な能力をもたらすが、非常に小さな相対タイミングジッタを有する正確な光源の同期を確実にすることが不可欠である。
【０２２８】
自発ラマン散乱強度と比較して、ポンプ−プローブラマン分光技法によってもたらされる散乱強度は、図７６に示すように、異なるポンプ及びプローブ周波数Ω及びωにより大きく増強することができる。ポンプビームの周波数を変化させるが、プローブビームの周波数は固定する。ポンプビームはラマン発光を誘導するために用いられ、プローブビームはラマンモードを明らかにするのに役立つ。ポンプビーム及びプローブビームの両方がラマン活性媒質を共線的に通り抜ける。ポンプ周波数とプローブ周波数との差異が媒質のラマン振動モード周波数νと一致する場合、弱い自発ラマン光がポンプ光子束のために数桁（１０〜１０４）増幅する。利得は図７６に示すように達成される。
【０２２９】
ポンプビームは、基本的には広範な試料中で様々な摂動励起をもたらすように設計される。したがって、ポンプ−プローブ分光法は、軌道角運動量が与えられたポンプビームの使用を含む他の分光技法の状況下での使用に適用可能であり、これは次章で論考する。
【０２３０】
［軌道角運動量（ＯＡＭ）分光法］
キラル光学は従来、円偏光を伴うものであった。これにおいて、平面偏光状態は、互いに逆となる旋進性を有する複数の円偏光の重ね合わせとして理解される。円偏光の右及び左の旋進性は、偏光に加えて、そのスピン角運動量（ＳＡＭ）、±ｈを示し、関連付けられた電磁場ベクトルのヘリシティを用いることができる。物質とのその相互作用は鏡像異性的に特異的である。併用技法は、様々な物質について特異的なシグネチャを有する。
【０２３１】
本明細書で上記により詳しく説明されるように、光のビーム中に生じる光渦は、電磁場の波面表面にヘリシティを導入し、関連付けられた角運動量が「軌道」とみなされる。光子放射の軌道角運動量（ＯＡＭ）は、ビームの「ねじれ」又は「ヘリカル」特性と呼ばれることが多い。ＯＡＭが与えられた光と物質との相互作用の殆どの研究が、アキラル分子を対象とする。
【０２３２】
空間的な広がりで巨視的であり得る、ブロッホフレームワークの包絡波動関数に関連付けられた固体物質中の非局在化ＯＡＭは、原子に関連付けられた局所ＯＡＭと区別することができる。後者は電子状態のランデのｇ因子及び有効スピン部分に関連付けられ、前者は軌道コヒーレントシステム（例えば、量子ホール層、超電導体及びトポロジカル絶縁体）の対象である。これらの技法の開発は、キラル電子状態の散乱及び量子コヒーレンスの理解を改善する機会を示し、物質の発見及び量子情報に対する潜在的な示唆を有する。この目的で、誘電体を用いるもののようなＯＡＭ−物質相互作用を説明する理論構成が有用である。
【０２３３】
ＯＡＭが与えられた光のビームは、ＬＧビームを使用する時間分解ポンプ−プローブスキームを用いて、固体中でこのような非局在化ＯＡＭ状態を誘導するために使用されており、バルクｎドープＧａＡｓ（３×１０１６ｃｍ−３のＳｉ）及び非ドープＧａＡｓ（５Ｋでクライオスタット内に保持される）のＯＡＭに感受性のある二色性が利用される。この方法を用いることで、電子の「渦巻」を誘導し、時間遅延プローブビーム（そのＯＡＭ成分が平衡フォトダイオードブリッジにおいて検出される）により測定した。研究により、時間分解ＯＡＭ減衰速度（ピコ秒〜ナノ秒）がドーピングに依存し、スピン寿命及びポピュレーション寿命とは異なり、M. A. NoyanおよびJ. M. Kikkawaによる「Time-resolved orbital angular momentum spectroscopy」（Appl. Phys. Lett. 107 032406 (2015)）（その全体が参照により本明細書に援用される）に記載されるような予想よりも長いことが実証される。
【０２３４】
単純なポンプ−プローブＯＡＭ分光機器を図７７に概略的に示すが、ＯＡＭポンプビーム７７０２は、ある周波数ν＿ｌでｌ＝＋１とｌ＝−１との間を循環するｌ＝±１のラゲール−ガウスビームである。ポンプビーム７７０２は試料７７０４中の標的分子を摂動し、生じる摂動を調べるために直接的プローブビーム７４０６が用いられる。試料は結晶性固体、非晶質固体、液体、生体又は無機物とすることができる。
【０２３５】
ＯＡＭを示す光（運動量の方位付けられた光子流）とキラル分子との相互作用は、幾つかの最近の理論報告及び実験報告の題材である。一方では、相互作用の強さは無視できると推測されているが、他方では、かかる相互作用が存在するだけでなく、従来の旋光性測定実験（溶液に入射する直線偏光の方向が溶液自体の或る角度特性によって回転する）において生じる相互作用よりも強い可能性がある。幾つかの限定的な実験的研究から、前者の研究の理論部分が正しく、かかる相互作用は無視できると示唆されている。
【０２３６】
それにもかかわらず、ＯＡＭが与えられた光学ビームを用いる様々な光−物質相互作用が、分光法（光ファイバにおける音響モードと光子モードとの間のＯＡＭの伝達、ＯＡＭが与えられたラマンサイドバンドの生成、及び光学ＯＡＭ「ピンセット」を用いたコロイド粒子の操作、を含む）において広範な可能性を示す。
【０２３７】
［キラル分子のＯＡＭ分光法］
様々な濃度のグルコースの短い光路長を移動する、様々な整数方位角次数ｌのラゲール−ガウス（ＬＧ）ビームを用いた最近の実験から、測定可能なＯＡＭ光−物質相互作用の存在を示唆する研究の理論部分が支持される。これらの実験から、相互作用が存在するだけでなく、相互作用が旋光性測定を用いた場合よりも強く見えることが示唆される。これは、直線状態の偏光の測定可能な摂動を得るために従来の旋光性測定研究において一般に必要とされる光路長（１０ｃｍ超）よりも、非常に短い光路長（１ｃｍ〜３ｃｍ）でＯＡＭビームの摂動が生じることからである。
【０２３８】
波動方程式のガウスビーム解と、エルミート−ガウス（ＨＧ）を含む高次レーザモードへのその拡張とが、光学実験室において一般に研究されている。ＬＧモードがらせん又はヘリカル位相面を示すことが特に興味深い。伝搬ベクトルはスピン角運動量に加えて、軌道角運動量（ＯＡＭ）成分（しばしば渦度と称される）を含む。
【０２３９】
空間光変調器（ＳＬＭ）が、ガウスビームの位相面を変調するホログラムを実現するために頻繁に用いられ、様々な目的で設計されたビームに新たな関心が持たれている。
【０２４０】
円筒座標におけるＬＧビームの電場についての式は、以下のようになる：
【数９８】
2019510202.tif 000100
ただし、ｗ（ｚ）はビームスポットサイズであり、ｑ（ｚ）は、球波面及びスポットサイズの展開を含む複素ビームパラメータであり、整数ｐ及びｌは、それぞれ径方向モード及び方位角モードの指標である。ｅｘｐ（ｉｌθ）項は、らせん位相面を表す。コリメートされたビームが、位相遅延フォーク型回折格子又はホログラム（図１５Ａ〜図１５Ｄに示すようなもの）によって適切に符号化されたＳＬＭから反射される。フォーク型ホログラムについての生成方程式は、フーリエ級数として表すことができる：
【数９９】
2019510202.tif 000101
ここで、ｒ及びφは座標であり、ｌは渦度の次数であり、Ｄはフォーク型極から離れた直線回折格子の周期である。フーリエ成分の重みｔ＿ｍは、以下のように整数次のベッセル関数で表すことができる：
【数１００】
2019510202.tif 000102
ここで、ｋαはフォーク型回折格子の位相にバイアスをかけ、ｋβはフォーク型回折格子の位相を変調する。ＯＡＭビームの生成には、幾つかの項しか必要でなく（例えば−１≦ｍ≦１）、、
【数１０１】
2019510202.tif 000103
【０２４１】
様々な濃度のグルコースを含有する３ｃｍキュベットを通して伝搬させたＯＡＭモード次数ｌ＝５、６及び７について図７８に示すように、ＯＡＭシグネチャは、濃度に対して非線形であることが見出された。この予備データにはノイズが多いが、この傾向は幾つかのＯＡＭ次数にわたって持続し、日常的に、また幾つかのセットアップ再調整及び便宜上行われた他の変化の後に反復可能であった。
【０２４２】
グルコースは、約７５０ｎｍで広い光学吸収帯を示し、ＦＷＨＭは約２５０ｎｍである。より強いＯＡＭ応答が、吸光度が６３３ｎｍでの吸光度の４分の１である５４３ｎｍで観察された。これは、感受率の虚部χ’’ではなく感受率の実部χ＾’に基づく相互作用を示唆する。長さ２０ｃｍのキュベットを用いた別のグルコースの旋光性測定実験において、５４３ｎｍでは、６３３ｎｍよりも５０％大きな比旋光度が測定された。溶液中のキラル分子を用いた以前のＯＡＭの旋光性測定研究と一致して、３ｃｍ以下の試料を通るＯＡＭビームを用いて識別可能な偏光状態変化は観察されなかった。
【０２４３】
グルコースは、これらの波長で旋光応答を有することが知られているが、濃度−経路長の積ｃｌは、このＯＡＭ研究では、偏光状態の測定可能なシフトを発生させるには小さ過ぎた。ＯＡＭが与えられたビームを用いて報告されたトポロジー変化の観察により、ＯＡＭビームとキラル分子との相互作用が、従来の旋光性測定と関連する相互作用よりも顕著であることが示唆される。ＯＡＭビームとキラル分子との相互作用は、新たな計量技法と、おそらくは、僅かな光−物質相互作用のより十分な理解とをもたらす可能性がある。光と様々な程度のキラリティを示す分子との相互作用に特に関心が持たれる。これは次章で取り上げる題材である。
【０２４４】
［分子キラリティ］
分子のキラリティは、様々な空間回転、反転及び鏡映操作によって特徴付けられる、その「旋進性(handedness)」の幾何学的特性である。従来、分子のキラリティの程度は、「左巻き」又は「右巻き」であることに加えて、「キラル」又は「アキラル」である分子にはっきりと制限されていた。しかしながら、このキラリティの２値スケールは、研究され得る何百万もの分子系の詳細な分光学的研究には適さない。その代わりに、連続キラリティ尺度（ＣＣＭ）と呼ばれる０〜１００の連続スケールが、ここ２０年で実現されている。基本的に、このキラリティの連続的な尺度は、以下のような連続対称性尺度（ＣＳＭ）関数を含む：
【数１０２】
2019510202.tif 000104
ここで、Ｇは特定の対称性群であり、Ｐｉは元の構成の点であり、
【数１０３】
2019510202.tif 000105
は、最近接Ｇ対称構成において対応する点であり、ｎは構成点の総数である。
【０２４５】
目的は、元の点集合Ｐｉからの総正規化変位量が最小となるような、所望のＧ対称性を有する点集合Ｐｉを特定することである。対称性の範囲０≦Ｓ’（Ｇ）≦１は、Ｓ＝１００Ｓ’となるように拡大することができる。他のキラル尺度スキームに対するＣＣＭの利点としては、広範なキラル構造（歪んだ四面体、ヘリセン(helicenes)、フラーレン、凍結回転異性体（frozen rotamers）、ノットを含む）、及びキラル反応座標へのその適用の容易さと、理想的な形状への参照なしに測定されることとが挙げられる。固有キラリティ値は、最近接対称性群（σ又はＳ２ｎ）を参照して得られるため、広範な幾何形状との直接比較が可能である。
【０２４６】
さらに、上記の新たな技法ではベクトルビーム（すなわち、「ねじれ（twistedness）」＋偏光を有するビーム）を用いた誘導ラマン分光法又は共鳴ラマン分光法の使用が検討されることから、この技法をキラル分子及び非キラル分子の両方に等しく適用することができる。
【０２４７】
［軌道角運動量によるラマン］
グルコースのラマン散乱スペクトルに対する軌道角運動量の影響を調査した。ラマンスペクトルにおける変化を、特に２９５０ｃｍ−１でＬ＝０（ガウスビーム）と比較したＬ＝２（ヘリカルビーム）により観察した。糖分子が或る種のキラル対称性７９０８を有する場合に、ＯＡＭ分光法７９０４及びラマン分光法７９０６を用いて差分信号７９０２（図７９）を見ることができることが革新である。グルコース、スクロース及びフルクトースのラマンスペクトルは４８８ｎｍ、５１４．５ｎｍ及び６３２．８ｎｍの３つのレーザ波長についてアルゴンイオンレーザ光源及びヘリウムネオンレーザ光源から既に収集され、信号が一覧にされており、各振動の一致が他の２つのレーザ線を用いて正当化される。これらのエネルギーによる直接的な電子吸収がないことから、期待されるような共鳴は観察されなかった。しかしながら、ラマンスペクトルは、任意の波長での分子の局所的対称性及び大局的対称性に感受性を有する。差分ラマン信号は、キラル電磁場と糖分子との相互作用についての基本的情報を与え、血液中での低レベルグルコース検出について選択的な対称共鳴をもたらす可能性がある。
【０２４８】
これらの測定に使用されるシステムは、５００ｎｍ及び１２００本／ｍｍの溝密度でブレーズされた回折格子を用いる７５ｃｍ単段分光計に取り付けられた共焦点顕微鏡である。使用した顕微鏡対物レンズは、１０倍拡大であった。角運動量値Ｌ＝２のＯＡＭビームを生成するために、Ｑプレートをシステムに組み込んだ。
【０２４９】
ここで図８０を参照すると、アラインメント手順が示される。直線偏光子を工程８００２でビーム経路に挿入し、工程８００４で最大透過強度が達成されるまで回転させる。Ｑプレートを工程８００６でビーム経路に挿入し、工程８００８でＯＡＭビームを発生させる中心を（ドーナツの観察により）位置決めする。円偏光子を工程８０１０でＱプレートの前に挿入する。直線偏光子を工程８０１２でＱプレートの後に設置し、４ローブ構造を観察する。最後に、円偏光子を工程８０１４で最終直線偏光子からの出力が最終直線偏光の全角度でドーナツを示すまで回転させる。この手順を繰り返して、Ｑプレートへの印加電圧（およそ４ボルト）及び矩形波駆動周波数（およそ２ＫＨｚ）も調整する。測定は最終直線偏光子を用いずに行う。
【０２５０】
Ｌ＝０のスペクトル（ビーム経路内に素子なし）と共に得られるＬ＝２のスペクトル（いずれの場合にも２８００ｃｍ−１近くのラマン信号である最大値に対して正規化されている）を、図８１及び図８２に示す。これらの測定から、２つの異なる励起の間に強度差が見られることが示される。４００ｃｍ−１及び５５０ｃｍ−１で散乱強度のほぼ５０パーセントの増大が見られ、Ｌ＝２のスペクトルは、これらの線の各々の幾つかの付加的なショルダーを示す。２９５０ｃｍ−１前後のダブレット(doublet)の強度比が最も顕著である。
【０２５１】
これらの測定に使用されるラマンシステムは、アラインメントが制限される。付加的な波長板を組み込むことで、共焦点システムにおける顕著な収集強度の低下をもたらす僅かなウォークオフ（walk-off）が引き起こされる。おそらくは、正規化により任意のアラインメント強度の問題が解決されるが、信号対ノイズが悪化し、より長い積分が必要とされる。長い積分時間は常に可能又は適切とは限らない。
【０２５２】
これらの測定をグルコースについて繰り返し、フルクトースについても行う必要がある。また、ＯＡＭを有しない純粋な円偏光に対する応答を確認する必要がある。アラインメントを利用し、Ｑプレート操作について最適化することが可能でなければならない。ＯＡＭのＬ＝１値及びＬ＝２０値も使用する必要がある。このレーザがシステムにおいて最短の収集時間で最良のスペクトルを発生させることから、有望な結果により、４８８ｎｍについて１／４波長板が使用される。
【０２５３】
より高エネルギーのラマン信号は、多くの有機系に存在する一般的な炭素結合及び炭素水素結合を示すことからグルコースに特有ではないが、キラル系に特有であると証明される可能性がある。付加的に、Ｑプレートに対してシステムがより良好に最適化されると、グルコースにより特有な、より低エネルギーのモードが、ＯＡＭとのより良好な区別を示す可能性がある。
【０２５４】
［単結晶氷砂糖による光学活性］
糖分子の光学活性は、よく研究されており、入射光の僅かな回転を付与する糖系の偏光をもたらす分子のキラル対称性の結果であり、したがって最終透過ビームが、存在する分子の濃度に依存して回転を有する。軌道角運動量を用いて物質の透過又は反射による偏光変化を検出するための汎用性及び感度の高いシステムを開発するために、実験を開始した。このシステムはＳＬＭの使用に最適であり、任意のタイプのビームを原則として生成することができる。出発点として、高い結晶化度及び規則的な劈開面を示す氷砂糖の、各々数ｍｍ厚の試料を得た。これらの氷砂糖試料を研磨して表面を光学品質仕上げすることができるが、それまでの内部欠陥により明瞭な透過測定が妨げられ、信号は前方散乱として収集される。結晶は、結晶面の明確な対称性を示す３片に劈開され、結晶のｚ軸は劈開面に対して斜交する。これらの測定を始めるに際して、データをＱプレート出力についても比較する。この測定システムは、今後の偏光感受型測定及び誘導ラマン測定のための均衡の取れたロックイン検出の光学系となる。
【０２５５】
ＳＬＭ、Ｍａｔｌａｂ及びビデオキャプチャを同時に実行することが可能な、適切に構成されたコンピュータ上のＳＬＭに対して、複数のモニタへのアクセスが必要とされる。
【０２５６】
ここで図８１を参照すると、ＨｅＮｅレーザの出力を１ｋＨｚ前後でチョッピングし、シングルモードファイバに送る。出力を２つの両凸レンズでコリメートし、半波長板に通して送り、Ｈａｍａｍａｔｓｕ  ＬＣＯＳ  ＳＬＭ  ８１０２に入射する偏光をＳＬＭの操作仕様に従って１０度未満の入射角度で調整する。ＳＬＭ  ８１０２は、ＭＡＴＬＡＢコードを用いて生成したフォーク型回折格子又はらせん位相パターンホログラムを表示し、所望のＯＡＭビームを生成する。反射ビームはＯＡＭを搬送し、ビーム軸に沿ってゼロ強度を有する特徴的な「ドーナツ」形状が見られる。次いで、このビームがロックイン検出のために１対の直交偏光子(crossed polarizer)８１０４を通して検出器８１０６に送られる。対称検出器を採用する実験システムも探求する。
【０２５７】
実験により、これらの研磨された糖結晶について強度曲線におけるおよそ２０度のシフトが示された。検出スキームを終えた後に一連の測定を行う。これらには以下が含まれる：
１．  研磨された結晶全体を通した光学活性。
２．  異なる切断方向で光学活性の付加的／減法的な効果が存在するか、および、いずれかの方向がＯＡＭに感受性を示すかを調査するための、独立して劈開片の各々を通した光学活性。
【０２５８】
［糖化タンパク質のラマン検出］
Ｈｂ及びＨｂ−Ａ１ｃ  ａタンパク質を、ＯＡＭを用いたラマン分光法により調査することもできる。哺乳動物の血液は、その細胞構成、その胚起源、また血漿中のコロイド状タンパク質の起源及び存在のために、結合組織とみなされる。赤血球及び血漿タンパク質が血液の主成分である。これらの結合組織成分は、疾患状態での代謝ストレスの標的であり、化学的変化をもたらす。全ての血液成分が、高血糖状態において過度の代謝ストレスを受ける。血液は栄養素、ガス及び排泄物の主要な輸送体として働く。血漿は、グルコースの組織への主要な運搬体として働く。正常な食前血漿グルコースレベルは８０ｍｇ／ｄｌ〜１３０ｍｇ／ｄｌであり、正常な食後血漿グルコースは１８０ｍｇ／ｄｌ未満である。グルコースの腎閾値（ＲＴＧ）は血漿グルコースの生理的最大値であり、これを超えると腎臓はグルコースを再吸収することができず、グルコースが尿中に排出される。これが糖尿と呼ばれる病態である。糖尿は真性糖尿病（ＤＭ）の主要特性である。ＤＭにおける高血漿グルコースは、ＨｂＡ１ｃとしても知られるグリコシル化ヘモグロビンのレベルの増大を引き起こす。正常な生理的条件下では、ＨｂＡ１ｃレベルは７％未満であり、これはｅＡＧとしても表され、正常血糖状態で１５４ｍｇ／ｄｌ未満である必要がある。
【０２５９】
［ＤＭにおける血漿タンパク質の糖化］
糖化は、タンパク質へのグルコース又は他のヘキソース糖部分の非酵素的なランダムな非特異的共有結合として定義される。健常個体における血中グルコースレベルは血液中７％未満の糖化ヘモグロビン（ＨｂＡ１ｃ）レベルを有するが、ＤＭのような高血糖条件下では、そのレベルは増大する。より高い血中グルコースレベルは、アルブミンのような血漿の他の主要タンパク質の糖化を誘導する可能性がある。
【０２６０】
［ＤＭにおける糖化タンパク質の測定の利点］
血中グルコースレベルの測定は、被験者の血糖状態についての特定の時点での情報しか与えない。すなわち、数ヶ月にわたってコントロールされない血糖値を有する糖尿病者が、特定の日に絶食条件下で又は低炭水化物摂取量で試験を受けた場合に、正常血中グルコースレベルが得られる場合がある。しかしながら、血液中の糖化ヘモグロビン（ＨｂＡ１ｃ）レベルの測定は、過去２ヶ月〜３ヶ月間の患者の平均血糖値についての情報をもたらす。したがって、過去１０年で、感度及び信頼性の高い実験室分析の開発により、ＤＭ患者において糖化ヘモグロビンを測定することが標準的な臨床診療となっている。本発明者らは、特定のラマンフィンガープリント（自然の及び変化させた物理的状態での、主要血中タンパク質ヘモグロビン、血漿アルブミン、等の非酵素的糖化によって生じる可能性があるもの）の検出のための糖尿病血及びその成分に対するラマン分光研究の使用を提案する。タンパク質における糖化過程は化学的変化、構造修飾、配座変化を誘導する。これらのいずれか又は全てが、特別なラマンスペクトル変化を生じる可能性があり、臨床マーカとして用いることができる。
【０２６１】
測定は、小型卓上OceanOpticsラマンシステムを用いて５３２ｎｍ励起で行った。
【０２６２】
［トリプトファンのラマン分光法］
ヘモグロビン（四量体）は６残基のトリプトファンを有するため、ヘモグロビンは蛍光タンパク質である。トリプトファンは糖化を受け、ヘモグロビンの配座変化を生じ得る。トリプトファンの変化は、ラマン研究を用いることによって特定することができる（Masako Na- Gai et al. Biochemistry, 2012, 51 (30), pp 59325941（参照により本明細書に援用される））。トリプトファン残基において糖化により誘導されるラマンスペクトル変化を理解するためには、５３２ｎｍのOceanOpticsラマンを用いて分析グレードの非晶質トリプトファンからラマンスペクトルを得る。
【０２６３】
［タンパク質のラマンスペクトル］
アルブミン及び糖化アルブミン試料の固体非晶質粉末を、OceanOptic５３２ｎｍラマンシステム、並びに４８８ｎｍ、５１４．５ｎｍ及び６３２．８ｎｍを用いる共焦点ラマンシステムを使用するラマン測定に供した。これらの試料からラマン信号は観察されなかった。したがって、７．４の生理的ｐＨの溶液中で再試験を行う必要がある。
【０２６４】
次の工程は、以下の通りである：
１．  ＮＩＲラマン：血液及びその成分は、可視範囲で強い蛍光を有するため、ＮＩＲラマンにより蛍光の低減が助けられ、標的タンパク質分子から良好なラマン信号が得られる可能性がある。
２．  OceanOptics５３２ｎｍラマン：これは、血液中の糖化誘導体の一部を検出するために用いることができる。ヒト被験体又は動物モデルのいずれかに由来する正常血及び糖尿病血が必要とされる。また、このシステムを用いることによって合成糖化産物の基準スペクトルを得ることができ、これを後に血液試料に由来するラマン信号と比較することができる。
３．  生体内動物モデル：生体内血中グルコース及び糖尿病試験のための今後の実験を成功させるには、ラマン測定をラット糖尿病動物モデルにおいて行う必要がある。
【０２６５】
［食品の新鮮さ、損傷及び有機物の検出のためのラマンによるＯＡＭ］
調査される別の側面は、肉、農産物、乳製品及び穀物の損傷による食品の安全性についての懸念と、表示付きの食品が有機であるかのラマン及びＯＡＭを用いた決定とである。社会的及び個人的な懸念が品質、安定性、及び食品保存期間の安全性の政府規制及び商業上の要件の両方につながっている。さらに、食品損傷を引き起こす食品の劣化は、健康問題だけでなく、食品製造及び関連産業に対する経済的損失をもたらす。このため、食品損傷を最小限に抑え、食品の新鮮さを決定し、又は食品の保存寿命を最大化することが所望される。
【０２６６】
さらに、アメリカ合衆国農務省（「ＵＳＤＡ」）は、２０００年に「有機(organic)」という用語についてのガイドライン及び国家規格を確立した。例えば、ＵＳＤＡガイドラインによって定義される有機食品は、食品を下水汚泥肥料、合成肥料及び農薬、遺伝子組み換え、成長ホルモン、放射線照射、並びに抗生物質なしに製造しなければならないことを意味する。
【０２６７】
不快な臭い、不快な味、色の変化、テクスチャの変化及びカビの成長等の従来の食品損傷の物理的特性は、食品の品質又は安全性を損なう生化学過程が生じた後によく現れる。結果として、これらは食品の新鮮さ、保存及び損傷に関して用いるための許容可能な基準を決定する適切な指標ではない。
【０２６８】
このため、これまでの研究は、食品損傷のいわゆる「バイオマーカ」の特定を含む。この研究は、食品損傷の物理的特性と関連する或る特定の化学副産物を発生させる生化学的機構の特定を含む。これらの機構は、物理的機構（例えば、温度、ｐＨ、光、機械的損傷）、化学的機構（例えば、酵素反応、非酵素反応、酸敗、化学的相互作用）、微生物ベースの機構（例えば、細菌、ウイルス、酵母、カビ）、又は他の機構（例えば、昆虫、齧歯類、動物、鳥類）であり得る。
【０２６９】
調査の一態様は、これらのいわゆるバイオマーカ及びそれらの関連濃度を特定し、基本的な食品カテゴリの保存寿命をより良好に決定するために、ＯＡＭ及びラマン技法を使用することである。付加的に、本発明の別の態様は、食料品を「有機」とみなすことができなくする使用される化学物質を調査することである。例えば、下記表１に、一般的な食品群と関連する食品損傷機構に関連付けられた、幾つかの研究された生化学過程及び化学副産物を示す。
【０２７０】
【表１】
2019510202.tif 000106
【０２７１】
当業者には、一般的な食料品の食品損傷の証拠となる様々な他の機構及び生化学指標（食品損傷に関連付けられた他の反応、又は揮発性若しくは不揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の副生成物を含む）が十分に理解される。同様に、穀物、乳製品、農産物又は肉のいずれを調査するかを問わず、食品を有機とみなすことができなくする化学物質及び添加物が当業者には十分に理解される。
【０２７２】
従来の分光技法は、これらのバイオマーカを、食品試料の保存寿命又は問題の食品の有機性を決定するのに任意の意味のある態様で、リアルタイム又は適切な濃度で特定するには不向きである。本調査及び発明では、上記表中の様々なバイオマーカ及び一般的な化学物質（食品を連邦規制に定義されるように有機とみなすことができなくするもの）を分類、特定及び定量化するために上記のラマン及びＯＡＭ法が用いられる。
【０２７３】
かかる技法は、バイオマーカ又は化学物質がキラル分子又は非キラル分子のいずれであるかを問わず、等しく適用可能である。その場合には、かかるデータをサンプリングした食品群の分解濃度と相関させ、食品の新鮮さ、損傷、有機品質及び安全性について許容可能な最小濃度及び最大濃度を決定することができる。
【０２７４】
［インス−ガウス分光法］
１つ以上の他の分光学的技法と組み合わせることができる別のタイプの分光学的技法は、インス−ガウス分光法である。インスガウス（ＩＧ）ビームは、楕円座標系における近軸ビームの解である。ＩＧビームは直交する固有状態の第３のコール（calls）であり、試料のキラリティ構造をプローブすることができる。ＩＧモードは好ましい対称性（長軸対短軸）を有するため、キラリティをラゲールガウス又はエルミートガウスモードよりも良好にプローブすることが可能である。これにより、ラゲールガウスモード又はエルミートガウスモードよりも多くのＩＧモードを楕円コアファイバ内で伝搬させることが可能である。このため、ＩＧモードは、ラゲールガウスモード又はエルミートガウスモードを使用するのと同じように分光法のプログラム信号として使用することができる。これにより、ＩＧモードプローブ信号を用いた物質のタイプ及び物質の濃度の検出が可能となる。
【０２７５】
波動方程式は、以下のように直交座標におけるヘルムホルツ方程式として表すことができる：
【数１０４】
2019510202.tif 000107
Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｚ方向においてゆっくり変化する包絡線及び急速に変化する部分で表すことができる複素場振幅である。
【数１０５】
2019510202.tif 000108
【０２７６】
近軸波動近似は、本発明者らの仮定をヘルムホルツ方程式に代入することによって決定することができる。
【数１０６】
2019510202.tif 000109
【０２７７】
次に、ゆっくり変化する包絡近似を得る：
【数１０７】
2019510202.tif 000110
これは近軸波動方程式を含む。
【０２７８】
楕円−円筒座標系は、図８２に示すように規定することができる。
【数１０８】
2019510202.tif 000111
【０２７９】
ξの定数値の曲線は、図８３に示すように共焦点楕円をトレースする。
【数１０９】
2019510202.tif 000112
【０２８０】
ηの定数値により、図８４に示すように共焦点双曲線が得られる。
【数１１０】
2019510202.tif 000113
【０２８１】
次に、楕円−円筒座標系を以下のように定義することができる：
【数１１１】
2019510202.tif 000114
ここで、ｈξ、ｈηはスケール因子である：
【数１１２】
2019510202.tif 000115
【０２８２】
次に、近軸波動方程式の解を楕円座標にすることができる。楕円円筒座標における近軸波動方程式は、以下のように定義される：
【数１１３】
2019510202.tif 000116
【０２８３】
変調された基本ガウスビームとして分離可能な解を仮定する。
【数１１４】
2019510202.tif 000117
Ｅ、Ｎ及びＺは実関数である。これらは、ψＧＢと同じ波面を有するが、異なる強度分布を有する。
【０２８４】
分離微分方程式は、以下のように定義される：
【数１１５】
2019510202.tif 000118
ここで、ａ及びｐは分離定数であり、
【数１１６】
2019510202.tif 000119
【０２８５】
インス−ガウス方程式の偶数解は、以下のようになる：
【数１１７】
2019510202.tif 000120
偶数インス多項式の周波数が図８５Ａ及び図８５Ｂに示され、モード及びそれらの位相が図８６に示される。
【０２８６】
インス−ガウス方程式の奇数解は、以下のようになる：
【数１１８】
2019510202.tif 000121
奇数インス多項式の周波数が図８７Ａ及び図８７Ｂに示され、モード及びそれらの位相が図８８に示される。
【０２８７】
このため、図５９に関して先に論考したように、２つ以上の異なるタイプの分光技法を組み合わせることによって、様々なタイプの異なるパラメータをモニタリングし、試料物質のタイプ及び濃度の決定に使用することができる。複数のタイプの分光学的パラメータ分析の使用により、試料タイプ及び濃度のより正確かつ詳細な分析が可能となる。このため、任意の数の分光学的技法（光学分光法、赤外分光法、ラマン分光法、自発ラマン分光法、誘導ラマン分光法、共鳴ラマン分光法、偏光ラマン分光法、光渦を用いたラマン分光法、ＴＨｚ分光法、テラヘルツ時間領域分光法、蛍光分光法、ポンププローブ分光法、ＯＡＭ分光法又はインスガウス分光法、等）を、任意の数の様々な組合せで用いて、濃度における試料タイプのより良好な検出をもたらすことができる。本明細書で論考される分光法のタイプが任意の組合せの分光学的技法に限定されず、試料物質の分析に利用することができることを理解されたい。
【０２８８】
［ＯＡＭを用いた多重パラメータデュアルコム分光法］
結果を改善し得るペアリング光周波数コムを用いた精密分光法を行うことができる。ここで図８９を参照すると、ブロードバンド周波数コム分光法では、光周波数コムからの信号を、従来の分光計によって、但しデュアルコム分光法と呼ばれる技法（速度及び分解能に対する従来の分光計８９０２及び機器の制限が取り除かれる）にて、読み取る。代わりに、第２の周波数コム８９０４が、以前に分光計８９０２によって行われた仕事を引き受ける。データ取得速度、スペクトル分解能及び感度の劇的な増加を結果として得ることができる。これらの技法は、多重パラメータ分光法８９０６（波長、偏光及びＯＡＭ分光法８９０８を活用する）と併せて用いることができる。
【０２８９】
［光周波数コム］
光周波数コム８９０４は、等間隔の様々な周波数で同時に放出する非常に多くの連続波（ＣＷ）レーザを有する、数十万又は数百万の等間隔の明確な類似線からなるスペクトルである。光コムは、多くの方法で生成することができる。最も一般的な方法では、位相安定化モード同期超短パルスレーザが使用される。時間領域では、レーザは、特定の繰返しレートのパルストレインを、特定の増大する付加的な搬送波−包絡線位相（各連続パルスを有する）を用いて発生させる。パルストレインの繰返しレート及び搬送波−包絡線位相の両方を無線又は光周波数基準に対して安定化させると、レーザの周期パルストレインのフーリエ変換は、周波数領域において明確な櫛様スペクトルを示す。
【０２９０】
周波数コムが十分に安定化され、原子時計等の絶対周波数標準に対して基準合わせされる場合、コムスペクトルは、光学周波数を測定するための極めて精密な定規となる。この定規は、以下の広範な科学的問題に適用される：原子、イオン又は分子遷移の高分解能周波数測定（物理学の基本問題に答えるためのもの）；微量のドップラーシフトの検出；並びにアト秒物理学、超高純度マイクロ波生成、長距離時間−周波数転送、原子量子ビットの操作、及びその他多くでの他の用途。
【０２９１】
周波数コムについての最も盛んな研究分野の１つは、ブロードバンド分子分光法である。コムの数百万の等間隔の明確な線は、複雑なブロードバンド分子シグネチャを高いスペクトル分解能及び感度で測定する機会をもたらす。しかしながら、これらの利点を利用するには、それぞれのコム線を分解するのに十分に高解像度の分光計が必要とされる。アプローチの１つは、回折格子と組み合わせた仮想画像化フェイズドアレイ（ＶＩＰＡ）ディスパーザに基づく分光計の使用であり得る。別の一般的なスキームでは、分析化学、マイケルソン型フーリエ変換分光計が使用され、従来のブロードバンドな、通常は非コヒーレントな光源が、周波数コムで置き換えられる。
【０２９２】
周波数コム分光法に対するこのアプローチでは、周波数コムパルストレインが、各干渉計アーム（これらの１つは、機械的に走査されるミラーを備える）へと分割され、２つのパルストレインが分析対象の試料を通して送られる。ミラーが走査されると、一連のインターフェログラムが単一の受光器及びデジタイザで記録される。インターフェログラムのフーリエ変換によりスペクトルが生成されるが、分解能は干渉計の最大光路長差によって決まる。
【０２９３】
［デュアルコムの利点］
記載のマイケルソン型セットアップを用いて周波数コム分光法を行うことの主な不利点は、速度である。走査ミラーの速度によって限定されるセットアップの走査速度は、一般にＨｚオーダーでしかない。デュアルコム分光法では、移動ミラーではなく第２の周波数コムを使用して遅延時間を与えることにより、この不利点が緩和される。分光計のパフォーマンスの顕著な改善を結果として得ることができる。
【０２９４】
デュアルコムセットアップでは、パルストレインが、第１のコムとは僅かに異なるパルス繰り返しレートで第２のコムを形成し、第１のコムからのトレインと空間的に組み合わされる。組み合わされたパルストレインは分析対象の試料を通過し、受光器によって検出される。結果は、時間領域では、パルス間での、相互相関関数のような干渉計信号の繰り返し系列（２つのコム間の繰返しレートの差に基づき着実に増大する時間差を有する）である。このため、デュアルコムインターフェログラムは、従来のマイケルソン型フーリエ変換分光計と同様の特徴を有するが、デュアルコムセットアップがミラーの機械的運動に依存しないことから、その走査速度は、マイケルソン型干渉計よりも桁違いに速い。
【０２９５】
デュアルコム分光法の別の利点は周波数領域に現れる。ここで、僅かに異なる繰返しレートを有する２つの光コムの混合により、第３の、ダウンコンバートされた無線周波数（ＲＦ）コム（その歯間の間隔は、２つの光コム間の繰返しレートの差に相当する）が得られる。このため、試料の応答は、このダウンコンバートされたＲＦコム上で符号化され、２つの光コム間のビート測定により、ＲＦコムから復元することができるマルチヘテロダイン信号が生成される。要約すると、ダウンコンバートされたコムは、光周波数コムのコヒーレンス特性を受け継ぎ、ＲＦヘテロダイン検出の速度及びデジタル信号処理の利点を有する、高い解像度及び精度でのブロードバンド分光法を可能にする。
【０２９６】
［小さなウェアラブルデバイス］
体内の生理学的化学レベルの変化を検出するための、ラマン及びＮＩＲ吸収に基づく、小型のウェアラブル光学デバイスを実装することもできる。新規の検出スキームに加えて、小型の集積電子−光子システム（最終的には集積シリコンフォトニクスシステム）も開発している。ウェアラブルデバイス９０００は、図９０に示すように以下の構成要素を備えるものとする。ＭＣＵ（マイクロ制御装置）９００２は、ウェアラブルデバイス９０００の全操作を制御する。ＢＬＥ（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ低エネルギー）送信機／受信機９００４は、ウェアラブルデバイス９０００に、またウェアラブルデバイス９０００から信号を伝達する。信号を内部増幅するトランス−インピーダンスアンプ（ＴＩＡ）。デバイス９０００内のＬＥＤ／レーザを駆動するドライバ９００８。高分解能ＡＤＣ  ９０１０は、アナログ−デジタル変換を行う。フラッシュメモリ９０１２は、ウェアラブルデバイス９０００内にデータを保存する。リアルタイムクロック９０１４は、内部クロッキング動作を制御する。
【０２９７】
主要な要件は、全構成要素についての低い零入力電流、ディープスリープモードに入る能力、動作モードでの低電流消費、リアルタイムクロックの低周波数モード／低出力動作、並びにＭＣＵ（マイクロ制御装置）及びＢＬＥ（ｂｌｕｅ−ｔｏｏｔｈ低エネルギー）の単一バッテリ動作。２０１３年〜２０１５年モデルのＭＣＵ＋ＢＬＥチップセットは、以下の構成要素の選択肢を与える：
ａ）ＥＦＭ３２（ＭＣＵ  Silicon Laboratories）＋ＣＣ２５４１（ＢＬＥチップ  Texas Instruments）若しくはＢＣＭ２０７３２（Broadcom）、又は、
ｂ）シングルチップソリューション形式のNordic Semiconductor ＮＲＦ５１８２２（同様のＣｏｒｔｅｘ  Ｍ０コア及びＢＬＥ無線を備える）。ＢＬＥスタックは、チップメモリの約１００ｋＢを占める、基本となるNordicの独自ＯＳ（ＳｏｆｔＤｅｖｉｃｅ）により実現される。
【０２９８】
これら２つのソリューションのいずれかが最近のＢＬＥウェアラブルデバイスの９０％で使用されている。今回の場合では、好ましい実施形態にはNordic Semiconductorによるシングルチップソリューションを用いる。主要な特徴は、以下の通りである：
１）リアルタイムクロックのための外部結晶、
２）２５６ｋｂのメモリ（２５６ｋｂ〜１００ｋｂ（ＳｏｆｔＤｅｖｉｃｅ）＝プログラム及びストレージに１５６ｋＢ）
３）１ｕＡ範囲のスリープモード
４）全ての標準ＢＬＥプロファイルのサポート及び４ｄＢｍまでの調整可能な無線電力。
それは、今後の開発に有用であり得るＡＮＴプロトコルもサポートする。
【０２９９】
近赤外レーザダイオードシステムは、およそ３０個の１５７０ｎｍ〜１６００ｎｍの可制御チャネル、及び１４５０〜１６００の付加的な調整可能光源を提供する。
【０３００】
同様のポータブルデバイスは、タンパク質の検出、及び、食品損傷に関連付けられた様々な生化学的機構による食品損傷又は食品有機バイオマーカの検出を含む上記の他の実施形態及び用途に関して、使用することができる。
【０３０１】
［ＯＡＭ身体イメージング］
身体全身及びその一部分のイメージングが、殆どの生物医学的光学技術に不可欠である。過去の研究では、グルコース及びタンパク質が強い吸収を有するが、水が吸収減少を有する、ＮＩＲの選択透過窓におけるイメージング及び分光法が開発されている。グルコース又は他の化学化合物の光学検出は大抵の場合、他の分子からの強い吸収が見られない領域である必要があり、ＯＡＭビームを用いて行われるため、ＯＡＭによる体組織、脳、骨及び皮膚のイメージングを用いることができる。考え得る調査方法は、位相コントラスト及び暗視野イメージング、ＮＩＲ及び複屈折イメージングにおける散乱媒質を介したＯＡＭの弾道輸送である。ウェアラブルデバイスに利用可能なダイオードレーザを、好適な検出器を取得及び試験した後に、ＮＩＲ  ＯＡＭイメージングに組み込んでもよい。ＮＩＲにおける単一チャネル検出器は、２Ｄ  ＣＣＤアレイよりも安価であるが、単一チャネル検出器を用いたイメージングの場合に走査システム及び画像構成ソフトウェアが必要とされる。
【０３０２】
［潜在用途］
広い電磁周波数範囲で動作する、偏光、波長及びＯＡＭ分光法が同時に可能な小型のハンドヘルド３Ｄ分光計は、食品及び空気の品質、家庭の生物的汚染物質、医薬識別、並びに健康関連問題等（虫歯のリアルタイム情報等）についての膨大な量の有用な情報を消費者に与える。本章は、３Ｄ分光法の幾つかの潜在用途の概要を示す。
【０３０３】
［食品産業］
食品物質は主に水、脂肪、タンパク質及び炭水化物からなる。食品物質の分子構造及び濃度がそれらの機能特性を左右する。これらの特性の定量化は、人間による食用又は曝露への適合性の最低基準に関する食品の品質（それらの保存寿命等のパラメータに影響し得る化学的、生物学的及び微生物的要因を含む）を決定する。食品供給チェーンの工業化における最近の進歩及び消費者の食習慣における変化は、安全性及び品質について食品を分析すべき速さについてより大きな要求を出している。この要求により、分光法等の適切な分析ツールが必要とされる。
【０３０４】
食品分光法は試料調製、更には迅速な生産ライン測定を最小限しか又は全く必要としないことから、望ましい分析方法である。分光分析の性質を考えると、複数回の試験が試料に行われる可能性がある。
【０３０５】
食品供給の工業化生産ライン以外に、新規の分光学的技法は個々の消費者のレベルで用いることができる。例えば、個々の消費者は、ポケットサイズのレーザベース分光計を使用して食品中の糖濃度、食品全体の品質、成熟度を分光学的に測定するか、又は地元の食料品店でスイカが腐っていることを特定することができる。
【０３０６】
［防衛及び国家安全保障のためのナノスケール材料の開発］
防衛及び国家安全保障技術のためのナノスケール材料の開発は概して、対象の標的を認識するために結合部位を必要とする。幾つかの分光学的技法は現在、吸収、散乱（光の）（電子吸収（ＵＶ−ｖｉｓ）、フォトルミネセンス（ＰＬ）、赤外（ＩＲ）吸収及びラマン散乱等）に基づくものであるが、より進歩した技法として単一分子分光法、和周波発生及び発光アップコンバージョンが挙げられる。これらの分光法技術は、生物センサ及び化学センサとして用いられるナノスケール材料構造の製造プロセスに役立つ。
【０３０７】
［化学産業］
ガスセンサの光学分光法は、様々な環境、工業、医療、科学及び家庭での用途に有用である。ガスはヒトの健康に有害であり、大気汚染物質となり、又は工業若しくは医療目的ではその濃度に関して重要である可能性がある。警報を発することとは別に、しばしば、特定の標的ガス（他のガスとの混合物であることが多い）の正確なリアルタイム濃度を測定することが望ましい。消費者は、空中浮遊菌又は一酸化炭素等の生物学的又は化学的ハザードについて空気のモニタリングと、子供の遊び場、玩具及び寝室及びその周辺での界面活性剤汚染のモニタリングとに、家庭用装置を使用することができる。かかる装置は、施設管理者に潜在的な健康ハザードを警告するために学校の教室、事務所及びショッピングモールにおいて有用である。更なる装置が、様々な工業環境、例えば化学工場及び／又は石油化学工場において有用であり得る（近赤外分光法の使用を含むがこれに限定されない）。様々なガスの漏出を検出することの環境的利益の改善に加えて、かかる検出は、製品回収の増大及び政府罰金の削減のために漏出源を特定する様々な経済利益を工場作業者にもたらす。
【０３０８】
［医薬産業］
丸薬、カプセル及び液体中の高精密な薬物濃度の製造プロセスには、光学分光法技術によって行うことができるような厳密なリアルタイムのモニタリングが必要とされる。製造及び分配された後に、消費者は、携帯用デバイスに組み込まれる高度なリアルタイム分光技法を用いて丸薬及び医薬品を家庭で容易に特定することができる。
【０３０９】
［医療産業］
疾患を非侵襲的に検出する、より洗練された光学生検技術の開発に強い関心が向けられている。これらの技術は、組織を患者の身体から取り出す必要なく光学的に生検することができる分光法によって行われ得る。かかる技術は正確な前立腺検査、乳房マンモグラム及び他の癌検出手順のためのフォトニクスフィンガーイメージャ（finger imager）を作製するために開発することができる。ポケットサイズの皮膚用分光計が患者に個人的なリアルタイム情報を与え、これを医療専門家との話し合いのために患者の医療記録と組み合わせることができる。
【０３１０】
小さなハンドヘルド光学分光計の使用は、患者の日常的な健康維持スケジュールに組み込むことができる。例は、眼の定期検診における分光学的検出によるアルツハイマー病及びパーキンソン病に関連付けられた化学物質の早期検出である。
【０３１１】
［歯科］
毎日の個人的な歯の手入れには、小さなツール及び機器（歯ブラシ及びデンタルフロス等）が必要とされる。歯ブラシサイズの光学分光計が、小さな虫歯（齲蝕及び穴）の発生を検出し、かかりつけの歯医者への訪問の予定を組むよう消費者に警告する（訪問予定前に歯に特有の情報を歯医者に送ってもよい）のに有用であり得る。
【０３１２】
［バイオメディカルフォトニクス］
これらの技術は、ニューロイメージング用途（酸素及び血流を測定する光学分光法及び相関法等）；機能的近赤外分光法を用いた脳活動及び心理学の測定の定量的解釈を改善する機能イメージングのための新たな顕微鏡の開発；血流を測定する拡散相関分光法等の技術の開発；並びに脳内ヘモグロビンのマルチスペクトル光学イメージングの開発；に適用することができる（これらに限定されない）。
【０３１３】
固有シグネチャに基づき、試料中の物質の存在を検出する本システム及び方法が本開示の利益を有する当業者に認められる。本明細書の図面及び詳細な説明が、限定的ではなく説明的にみなされるべきであり、開示される特定の形態及び例に限定されることを意図しないことを理解されたい。一方で、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者に明らかな任意の更なる修飾、変化、再編成、置換え、代替、設計選択及び実施形態が含まれる。このため、添付の特許請求の範囲がこのような更なる修飾、変化、再編成、置換え、代替、設計選択及び実施形態を全て包含すると解釈されることが意図される。
【図１】
2019510202.tif 000122
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019510202.tif 000128
【図８】
2019510202.tif 000129
【図９】
2019510202.tif 000130
【図１０Ａ】
2019510202.tif 000131
【図１０Ｂ】
2019510202.tif 000132
【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
2019510202.tif 000134
【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
2019510202.tif 000139
【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４２Ｃ】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４Ａ】
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【図７４Ｂ】
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【図７５】
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【図７６】
2019510202.tif 000208
【図７７】
2019510202.tif 000209
【図７８】
2019510202.tif 000210
【図７９】
2019510202.tif 000211
【図８０】
2019510202.tif 000212
【図８１】
2019510202.tif 000213
【図８２】
2019510202.tif 000214
【図８３】
2019510202.tif 000215
【図８４】
2019510202.tif 000216
【図８５Ａ】
2019510202.tif 000217
【図８５Ｂ】
2019510202.tif 000218
【図８６】
2019510202.tif 000219
【図８７Ａ】
2019510202.tif 000220
【図８７Ｂ】
2019510202.tif 000221
【図８８】
2019510202.tif 000222
【図８９】
2019510202.tif 000223
【図９０】
2019510202.tif 000224
【国際調査報告】
2019510202.tif 000225